📚 가상메모리
가상 메모리는 물리메모리(실제메모리)의 크기와 상관없이 메모리를 이용할 수 있도록 지원하는 기술이다. 가상메모리는 크기가 다른 물리 메모리에서 일관되게 프로세스를 실행할 수 있는 기술이다.
가상메모리 및 메모리관련 정리
📚 페이징 기법
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페이징 기법은 고정 분할 방식을 이용한 가상 메모리 관리 기법이다.
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물리 주소 공간을 같은 크기로 나누어 사용한다.
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페이지 size == 프레임 size
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페이지 테이블은 하나의 열로 표한된다. 모든 페이지 정보를 순서대로 가지고 있기에 위에서부터 차례대로 페이지 0,1,2... 와 같은 프레임 번호를 가지고 있어 추가열이 필요없다.
프레임(Frame): 물리 메모리를 사용하는 최소 크기 단위.
페이지(Page): 가상 메모리를 사용하는 최소 크기 단위.
페이징 기법의 주소변환
주소변환 과정
페이징 기법에서 페이지는 페이지 테이블(Page Table)이라는 자료구조 형태로 관리된다.
가상주소 -> 물리주소
- 찾고자하는 가상주소가 어느 페이지에있는지 찾는다.
- 페이지 테이블의 페이지 3으로 가서 해당 페이지가 프레임 1에 있는지를 알아낸다.
- 물리 메모리 프레임 1의 0번째위치에 접근한다.
가상주소 어느 위치에 값을 저장할 경우
- 페이지를 찾는다.
- 페이지 테이블의 해당하는 페이지로 가서 정확한 프레임위치를 알아낸다.
- 프로세스가 저장하려는 값을 해당 프레임의 정확한 위치에 저장한다.
- 가상주소는 페이지 번호(P)와 변위(d)로 구성 -> 가상 주소 V = (p,d)
p는 페이지 번호, d는 페이지 p의 시작 위치로부터의 변위.- 프레임 시작 주소(f) + 변위(d)를 통해 물리 주소를 계산하여 실제 물리 주소에 접근한다.
페이징 기법의 주소 변환과정
VA=<P,D> => PA=<F,D>
요구 페이징(Demand Paging) : 프로세스의 모든 데이터를 물리 메모리에 적재하지 않고, 필요한 시점에만 메모리에 적재한다. 필요하지 않은 페이지 프레임은 다시 저장매체에 저장한다(물리 메모리에서 내린다).
페이지 부재(Page Fault) : 가상 메모리 공간에는 존재하지만 실제 물리 메모리에는 없을 때 일어나는 인터럽트를 말한다. 페이지 폴트가 발생하면 운영체제에서 해당 페이지를 물리 메모리에 올린다.
페이징 테이블 방식
시스템 내에는 여러 개의 프로세스가 존재하고, 각 프로세는 하나의 페이지 테이블을 가지며, 페이지 테이블은 운영체제 영역에 있다. 따라서 페이지 테이블의 크기가 너무 커지면 프로세스가 실제로 사용할 수 있는 메모리 영역이 줄어든다.
사용할 수 있는 물리 메모리 영역이 적을 경우 페이지 테이블의 일부도 스왑 영역으로 옮겨질 수 있다. 때문에 다양한 페이지 테이블 매핑 방식이 등장한다.
1. 직접 매핑(Direct Mapping)
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페이지 테이블 전체가 물리 메모리의 운영체제 영역에 존재하는 방식이다.
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페이지 테이블을 말 그대로 직접 활용한다.
2. 연관 매핑(Associative Mapping)
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페이지 테이블 전체를 스왑 영역에 관리하는 방식이다.
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물리 메모리의 여유 공간이 적을 때 사용하는 방식으로, 모든 페이지 테이블을 저장장치의 스왑 영역에 저장하고 그 중 일부만 물리 메모리에 가지고 있는다.
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연관 매핑은 페이지 테이블의 일부만 무작위로 가지고 오기 때문에 페이지와 프레임 번호를 둘다 표시해준다.
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무작위로 저장된 일부분의 테이블을 변환 색인 버퍼(TLB) 또는 연관 레지스터라고 부른다.
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물리 메모리 내의 페이지 테이블을 다 검색해야하는 문제가 있다. 검색 실패 시 스왑 영역에서 다시 찾아야한다.
3. 집합-연관 매핑(Set-Associative Mapping)
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연관 매핑에서는 모든 TLB를 검색한 후에야 TLB 미스가 있다는 사실을 알게된다. 집합-연관 매핑은 이 문제를 개선한 방식이다.
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페이지 테이블을 같은 크기의 여러 묶음(집합)으로 나누고, 각 묶음의 시작 주소를 가진 디렉터리 테이블을 새로 만들어 관리한다.
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전체 페이지 테이블은 연관 매핑과 마친가지로 스왑 영역에 있으며, 일부 테이블 묶음 단위로 메모리에 옮긴다.
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원하는 페이지 테이블 엔트리가 스왑 영역에 있는지, 물리 메모리 영역에 있는지 간단히 파악할 수 있다.
4. 역 매핑(Invert Mapping)
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물리 메모리의 프레임 번호를 기준으로 테이블을 구성한다.
다시 말해, 물리 메모리의 프레임에 어떤 프로세스의 어떤 페이지가 올라와 있는지를 표시한다. -
프로세스 수 상관 없이 테이블 하나만 존재하여 테이블 크기가 매우 작다.
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모든 페이지 테이블을 다 검색한 후에야, 해당 페이지가 스왑 영역에 있다는 것을 알게 되므로 속도가 느려 질 수 있다.
📚 세그멘테이션 기법
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가변 분할 방식 사용
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매핑 테이블인 세그멘테이션 테이블
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세그멘테이션 테이블에는 세그먼트의 크기를 나타내는 limit과 물리 메모리 상의 시작 주소를 나타내는 adress가있다.
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프로세스의 크기에 따라 메모리를 분할하기 때문에 매핑 테이블에 크기 정보를 포함한다.
세그먼테이션 기법의 주소변환
1. 먼저 가상주소를 구한다. s=0 D=32이다. -> VA=<0,32>
- 세그먼테이션 기법에서는 가상 주소를 VA=(S,D)라고 표현한다.
여기서 S는 세그먼테이션 번호, D는 세그먼트 시작 지점에서 해당 주소까지의 거리를 의미한다.
2.세그먼테이션 테이블에서 세그먼트 0의 시작 주소를 알아낸 후 시작 주소 120에 거리32를 더하여 물리주소 152번지를 구한다. 이때 메모리 관리자는 거리가 세그먼트의 크기보다 큰지점검한다.
- 만약 크면 메모리 오류를 출력, 프로세슬르 강제종료한다.
4, 물리주소에 접근하여 원하는 데이터를 읽거나 쓴다.
📚 단편화
단편화
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주기억장치 상에서 빈번하게 기억장소가 할당되고 반납됨에 따라 기억장소들이 조각들로 나누어지는 현상이다.
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메모리 공간이 조각조각 나뉘게 되어 실제로는 사용가능한 메모리가 충분히 존재하지만 할당이 불가능한 상태가 발생하게 된다.
내부 단편화
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프로세스가 요청한 양보다 더 많은 메모리를 할당할 때 발생하며, 메모리 분할 자유 공간과 프로세스가 사용하는 공간의 크기 차이를 의미한다.
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주기억장치 내 사용자 영역 > 실행 프로그램
외부 단편화
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메모리 할당 및 해제 작업의 반복으로 작은 메모리가 중간 중간 존재할 수 있다. 이렇게 사용하지 않는 메모리가 존재해서 총 메모리 공간은 충분하지만 실제로 할당할 수 없는 상황이다.
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주기억장치 내 사용자 영역 < 실행 프로그램
세그먼테이션 - 페이징 혼용기법
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위와 같이 페이징 기법에 세그먼테이션 테이블을 추가하고, 권한 비트와 같이 중복되는 데이터를 세그먼테이션 테이블로 옮겨오면 테이블의 크기를 줄일 수 있다.
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페이징 기법과 세그먼테이션 기법을 혼합하여 사용하면 순수 페이징 기법과 순수 세그먼테이션 기법의 장점만 취함으로써 메모리 관리를 효율적으로 할 수 있다.
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현재 대부분의 운영체제는 이 방식을 사용하고있다.
