[Computer Science][Operating System] 📚 페이징과 세그먼테이션: 메모리 관리 기법의 이해

김상욱·2024년 8월 14일

다중 프로그래밍 시스템에서 여러 프로세스를 수용하기 위해 주기억장치를 동적으로 분할하는 메모리 관리 작업이 필요합니다. 이 글에서는 페이징과 세그먼테이션의 개념 및 그에 따른 메모리 관리 기법을 살펴보겠습니다.

1. 연속 메모리 관리

연속 메모리 관리 기법은 프로그램 전체가 하나의 큰 공간에 연속적으로 할당되어야 합니다. 여기에는 두 가지 주요 기법이 있습니다.

🔒 고정 분할 기법

주기억장치를 고정된 파티션으로 분할하여 각 파티션에 하나의 프로세스를 할당합니다. 이 방식은 내부 단편화(Internal Fragmentation)를 초래할 수 있습니다. 즉, 프로세스가 할당받은 파티션이 프로세스 크기보다 클 경우, 사용되지 않는 메모리 공간이 발생하게 됩니다.

🔄 동적 분할 기법

동적 분할 기법은 파티션들이 동적으로 생성되어 프로세스의 크기에 맞는 파티션에 적재됩니다. 그러나 이 경우 외부 단편화(External Fragmentation)가 발생할 수 있습니다. 이는 프로세스가 메모리를 반납할 때, 메모리 블록들이 서로 떨어져 비연속적으로 남게 되어 새로운 프로세스가 필요한 만큼의 연속된 메모리를 찾기 어려운 상황을 초래합니다.

2. 불연속 메모리 관리

불연속 메모리 관리 기법은 프로그램의 일부가 서로 다른 주소 공간에 할당될 수 있는 방법입니다.

📄 페이지와 프레임

페이지: 가상 메모리에서 고정된 크기의 블록입니다. 프로그램의 주소 공간은 여러 개의 페이지로 나누어집니다.
프레임: 물리적 메모리에서 페이지를 담을 수 있는 고정된 크기의 블록입니다. 페이지 프레임의 크기는 페이지의 크기와 동일합니다.

🔍 단편화

단편화는 메모리 공간이 여러 조각으로 나뉘어져 효율적으로 사용될 수 없게 되는 현상입니다.

📦 세그먼트

세그먼트는 프로그램의 논리적 주소 공간을 의미적으로 나누어 관리하는 단위입니다. 각 세그먼트는 독립적인 주소 공간을 가지며, 프로세스의 여러 부분을 각각의 세그먼트로 구분할 수 있습니다. 세그먼트는 크기가 고정되지 않고, 프로그램의 각 부분에 따라 크기가 달라집니다. 또한, 각 세그먼트는 논리적으로 하나의 연속된 메모리 공간에 배치되지만, 물리적 메모리에서는 연속적으로 배치되지 않아도 됩니다.

🗺️ 페이지 테이블

페이지 테이블은 가상 메모리의 페이지와 물리적 메모리의 페이지 프레임 간의 매핑 정보를 저장하는 데이터 구조입니다.

⚠️ 페이지 폴트

페이지 폴트(Page Fault)는 프로세스가 접근하려는 가상 주소에 해당하는 페이지가 현재 물리적 메모리에 존재하지 않을 때 발생합니다.

3. 페이징과 세그먼테이션의 차이

⚖️ 고정 크기: 페이징 (Paging)

각 프로세스는 프레임과 같은 길이를 가진 균등 페이지로 나뉩니다.
외부 단편화가 발생하지 않으며, 메모리를 효율적으로 사용할 수 있습니다.
소량의 내부 단편화가 존재할 수 있습니다. 마지막 페이지가 프레임보다 작을 경우, 남는 공간이 발생합니다.

📏 가변 크기: 세그먼테이션 (Segmentation)

각 프로세스는 여러 세그먼트로 나뉘어집니다.
내부 단편화가 발생하지 않으며, 가변 크기이기 때문에 메모리 사용 효율이 개선됩니다.
외부 단편화가 발생할 수 있습니다.

4. 가상 메모리

💾 가상 메모리 페이징

프로세스의 모든 페이지를 로드할 필요가 없으며, 필요한 페이지가 있을 때 자동으로 불러옵니다.
외부 단편화가 발생하지 않지만, 복잡한 메모리 관리로 인해 오버헤드가 발생하고 페이지 폴트 발생 가능성이 높아질 수 있습니다.

📂 가상 메모리 세그멘테이션

필요하지 않은 세그먼트는 로드되지 않으며, 필요한 세그먼트가 있을 때 자동으로 불러옵니다.
내부 단편화가 발생하지 않지만, 복잡한 메모리 관리로 인해 오버헤드가 발생할 수 있습니다.

이 글을 통해 페이징과 세그먼테이션의 개념 및 메모리 관리 기법에 대한 이해를 높일 수 있기를 바랍니다. 메모리 관리의 효율성을 높이는 다양한 기법들이 있음을 기억해 주세요! 😊

이런 자료를 참고했어요.
[1] 티스토리 - (12) 페이징 & 세그먼테이션 - 코르시카's Blog (https://korshika.tistory.com/154)
[2] Gyoogle - 페이징과 세그먼테이션 | 👨🏻‍💻 Tech Interview (https://gyoogle.dev/blog/computer-science/operating-system/Paging%20and%20Segmentation.html)
[3] 느리더라도 꾸준하게 - [운영체제] 페이징과 세그멘테이션 - 느리더라도 꾸준하게 (https://steady-coding.tistory.com/524)
[4] velog - [OS] 페이징과 세그멘테이션, 단편화 (https://velog.io/@kku64r/paging)