💿 KAIST:PINTOS | Concept | Virtual Memory

가상 메모리(Virtual Memory)란?

가상 메모리는 프로그램이 실제 물리 메모리의 한계를 몰라도 되도록 운영체제가 가상의 주소 공간을 제공하는 기술이다. 프로그램은 자신만의 연속된 가상 주소를 사용하지만, 실제로는 여러 프로세스가 물리 메모리를 공유하며 사용한다.

간단히 말해:

"실제로는 조각난 물리 메모리를, 마치 내 것처럼 연속된 공간으로 쓰게 해주는 착각의 기술!"

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가상 메모리가 필요한 이유

• 물리 메모리(RAM)는 한정되어 있다.
• 프로그램마다 독립적이고 안전한 공간이 필요하다.
• 프로그램 크기보다 작은 물리 메모리만으로도 더 큰 프로그램 실행이 가능하다.

이를 위해 운영체제가 가상 메모리를 사용하여:

메모리 보호 (프로세스 간 간섭 방지)
프로그램 크기와 무관한 유연성
물리 메모리 효율적 사용 (페이징, 스와핑 등)

을 구현한다.

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PintOS의 가상 메모리 구현 목표

PintOS의 가상 메모리(VM) 프로젝트에서 우리는 3가지 핵심 자료구조를 직접 구현/연계해야 한다.

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[1] Supplemental Page Table (SPT)

역할	설명
각 유저 가상 페이지의 상태 관리	예: 로드되었나? 파일/스왑에서 불러와야 하나?
페이지 폴트 처리 시 로드 방식 결정	페이지가 없으면 SPT를 보고 어디서 불러올지 결정
프로세스마다 하나씩 관리	독립적 SPT를 사용, 프로세스 종료 시 함께 제거됨

핵심 구조체
struct page, struct supplemental_page_table

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[2] Frame Table

역할	설명
모든 물리 프레임의 상태 관리	어떤 프로세스의 어떤 가상 페이지가 쓰고 있는지 추적
프레임 부족 시 Eviction 대상 찾기	스와핑할 프레임 선택 (페이지 교체 알고리즘 사용)
시스템 전체에서 단일 글로벌 구조	여러 프로세스가 공유

핵심 함수
vm_get_frame(), vm_evict_frame() 등

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[3] Swap Table

역할	설명
스왑 공간 관리	디스크의 스왑 슬롯 사용 여부 추적
Eviction 시 페이지 데이터 스왑아웃	필요하면 페이지를 디스크로 내보내고 자리 확보
페이지 재진입 시 스왑인 처리	다시 쓸 때 스왑에서 페이지 데이터를 불러옴

핵심 함수
swap_out(), swap_in() 등

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페이지 폴트(Page Fault) 처리 흐름

유저 프로그램 접근 → 페이지 폴트 예외 발생 → page_fault() → SPT 검색 → 필요 시 스왑/파일 로드 → 프레임 할당 → 매핑

• vm.c와 page_fault()에서 폴트 발생 시 처리
• SPT를 통해 페이지가 어디서 와야 하는지 판단
• 프레임 부족하면 Eviction → SwapOut 후 새로운 프레임 확보

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페이지 교체 알고리즘 (Eviction)

PintOS에서는 보통 시계 알고리즘(Clock Algorithm) 을 사용해 Victim 프레임을 고른다.

• Accessed Bit 확인
• 한 바퀴 돌며 비활성 프레임 찾기
• 적절한 후보를 찾아 Swap Out 수행

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메모리 매핑 (mmap)

PintOS는 메모리 매핑(mmap)도 지원한다.

• 파일 데이터를 메모리에 직접 매핑
• do_mmap(), do_munmap()으로 구현
• 페이지 폴트 시 mmap 영역에서 로드

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방어 코드와 유효성 검사

가상 메모리는 보안과 안정성도 중요하다. 다음의 방어 코드로 유저 접근을 검증:

• is_user_vaddr(ptr) : 유저 영역인지 확인
• pml4_get_page() : 물리 메모리 매핑 확인
• 잘못된 접근 → exit(-1)로 종료

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테스트 케이스와 가상 메모리 기능 매핑

테스트 케이스	검증 기능
anon	익명 페이지 (zero 페이지)
mmap, mmap-close	메모리 매핑
swap, swap-anon	스왑인/스왑아웃 동작 확인
page-fault	페이지 폴트 처리 (SPT/Swap 연계)
bad-*, access-*	잘못된 접근 처리, SPT 유효성 검사 등
fork-*	fork 시 SPT 복사 및 공유 여부 확인

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정리

• 가상 메모리는 프로세스마다 독립적으로 무제한처럼 보이는 메모리 공간을 제공
• SPT, Frame Table, Swap Table의 협력으로 동작
• 페이지 폴트와 Eviction을 통해 메모리 효율성과 보호를 달성
• PintOS는 이를 구현하고 검증하는 테스트까지 제공하며, 직접 작성/연결해야 함