가상메모리(virtual memory)
- process 전체가 메모리에 올라오지 않더라도 실행이 가능하도록 하는 기법, 사용자 프로그램이 물리적 메모리보다 커져도 실행이 가능하다는 장점이 있음
- 운영체제는 가상 메모리 기법을 통해 프로그램의 논리적주소 영역에서 필요한 부분만 물리적 메모리에 적재하고, 직접적으로 필요하지 않은 메모리 공간은 디스크(Swap 영역)에 저장
요구페이징(demand paging)
- 당장 사용될 주소 공간을 page 단위로 메모리에 적재하는 방법
-> 메모리 사용량이 감소하고, 프로세스 전체를 메모리에 적재하는 입출력 오버헤드도 감소하는 장점이 있음 - 특정 page에 대해 cpu의 요청이 들어온 후에 해당 page를 메모리에 적재
- 유효/무효 비트(valid/invalid bit)를 두어 각 page가 메모리에 존재하는지 표시
Page Fault
CPU가 무효 비트로 표시된 page에 엑세스하는 상황
1. CPU가 페이지 N을 참조
2. Page table에서 페이지 N이 무효 상태임을 확인
3. MMU(Memory Management Unit)에서 page fault trap이 발생
4. 디스크에서 페이지 N을 빈 프레임에 적재하고 page table을 업데이트 (무효 -> 유효)
page 교체 알고리즘(replacement algorithm)
페이지 교체(page replacement)
page fault가 발생하면, 요청된 page를 디스크에서 메모리로 가져오는데 이 때, 물리적 메모리에 공간이 부족할 수 있기 때문에 메모리에 올라와 있는 page를 디스크로 옮겨서 메모리 공간을 확보
page 교체 알고리즘(replacement algorithm)
어떤 page를 교체할 것이냐를 결정하는 알고리즘, 앞으로 참조될 가능성이 적은 page를 선택해서 교체하는 것이 성능 향상시키는 방법
| 알고리즘 | 설명 |
|---|---|
| FIFO(First In First Out) | 메모리에 올라온지 가장 오래된 page를 교체한다. |
| 최적 페이지 교체 | 앞으로 가장 오랫동안 사용되지 않을 page를 찾아 교체한다. 실제구현은 어렵다 |
| LRU(Least Recently Used) | 가장 오랫동안 사용되지 않은 page를 교체한다. |
| LFU(Least Frequently Used) | 참조 횟수가 가장 적은 page를 교체한다. 비용대비 성능이 좋지 않아 잘 쓰이진 않는다. |
용어정리
논리적 주소(logical address)
process가 memory에 적재되기 위한 독자적인 주소공간인 논리적 주소가 생성.
각 process마다 독립적으로 할당되며, 0번지부터 시작
물리적 주소(physical address)
process가 실제로 메모리에 적재되는 위치
주소 바인딩(address binding)
CPU가 기계어 명령을 수행하기 위해 process의 논리적 주소가 실제 물리적 메모리의 어느 위치에 매핑되는지 확인하는 과정
Paging
- process의 메모리 공간을 동일한 크기의 page 단위로 나누어 물리적 메모리의 서로 다른 위치에 page들을 저장하는 메모리 관리 기법
- 물리적 메모리를 page와 같은 크기의 frame으로 미리 나누어 둠
- 주소 바인딩을 위해 모든 프로세스가 각각의 주소 변환을 위한 page table 보유
메모리 단편화(Memory fragmentation) 문제
- 물리적 메모리 공간이 작은 조각으로 나눠져서 메모리가 충분히 존재함에도 할당이 불가능한 상태
- 외부 단편화 문제 발생 X
-> process의 논리적 주소 공간과 물리적 메모리가 같은 크기의 page 단위로 나누어지기 때문 - 내부 단편화 문제 발생 O
-> process 주소 공간의 크기가 page 크기의 배수라는 보장이 없기 때문에, 프로세스 주소 공간 중 가장 마지막에 위치한 page에서는 발생할 가능성이 있음
Segmentation
process가 할당받은 메모리 공간을 논리적 의미 단위(segment)로 나누어, 연속되지 않는 물리 메모리 공간에 할당될 수 있도록 하는 메모리 기법
- Code, Data, Heap, Stack 등의 기능 단위로 segment를 정의하는 경우가 많음
- 주소바인딩을 위해 모든 프로세스가 각각의 주소 변환을 위한 segment table 보유
segment는 크기가 균일하지 않기 때문에 논리적 주소가 <segment 번호, offset>으로 표현
이 때 offset 값이 table의 limit 값보다 크면, 해당 segment를 넘어가므로 segmentation fault 오류 발생
메모리 단편화 문제
- segment의 크기만큼 메모리를 할당하므로 내부 단편화 문제는 발생 X
- 서로 다른 크기의 segment들이 메모리에 적재되고 제거되는 일이 반복되면, 외부 단편화 문제가 발생
paged segmentation
- segmentation을 기본으로 하되 이를 다시 동일 크기의 page로 나누어 물리 메모리에 할당하는 메모리 관리 기법. 즉 프로그램을 의미 단위의 segment로 나누고 개별 segment의 크기를 page의 배수가 되도록 하는 방법
-> segmentation 기법에서 발생하는 외부 단편화 문제를 해결하고, 동시에 segment 단위로 process 간의 공유나 process 내의 접근 권한 보호가 이루어지도록 해서 paging 기법의 단점 해결
