물리 메모리 구성 및 커널 가상 주소 관리

sungho·2024년 12월 2일

가상 메모리

목록 보기

4/11

1. 물리 메모리 구성요소

페이지 프레임 디스크립터

페이지 프레임 디스크립터는 물리 메모리의 페이지 프레임에 대한 정보를 저장하는 구조체
페이지의 상태, 참조 카운트, 메모리 할당 정보 등을 포함
커널이 메모리 할당 및 해제를 관리하는 역할

존

물리 메모리를 여러 개의 존으로 나누어 관리합니다. 서로 다른 메모리 요구 사항을 가진 프로세스에 맞춰 최적화되어 있습니다.

ZONE_DMA
- DMA(Direct Memory Access) 장치가 접근할 수 있는 메모리 영역
- 16MB 이하의 메모리로 제한
ZONE_NORMAL
- 프로세스가 사용할 수 있는 메모리 영역
- 물리 메모리의 대부분을 차지
ZONE_HIGHMEM
- 32비트 시스템에서 사용되는 고메모리 영역(커널이 직접 접근할 수 없는 메모리)
- 유저 프로세스에 의해 사용

노드

NUMA 아키텍처를 지원하기 위해 노드 개념을 도입
- 노드는 프로세서와 물리 메모리의 집합으로 구성
- 독립적으로 메모리에 접근
- 메모리 접근 지연을 줄이고 성능을 향상

디스크립터 관계

페이지 프레임 디스크립터는 페이지 프레임과 관련된 정보를 저장하고 메모리 관리

노드 데이터 구조

pg_data_t 배열
- 노드의 메모리 관리를 위한 기본 구조
node_zones
- DMA, NORMAL, HIGH-MEM 메모리 영역을 관리
free lists를 통해 스와핑 관리

페이지 상태 관리

UNEVICTABLE부터 ACTIVE-FILE까지 페이지 상태를 관리
ACTIVE/INACTIVE 통해 메모리 회수 정책을 결정
struct page 포인터를 통해 스와핑을 처리

Buddy 시스템과 페이지셋

Order 0-10까지의 free page lists로 메모리 할당을 관리
per migrate-type으로 페이지 이동 처리
CPU별 페이지셋으로 동시성을 관리

HIGHMEM

32비트 시스템에서 896MB 이상의 물리 메모리를 관리하기 위한 특별한 메모리 영역
커널이 직접 접근할 수 없는 메모리 영역을 효율적으로 관리하기 위해 설계
Reserved 영역(128MB)을 통해 임시적으로 매핑하여 접근
커널은 ZONE_HIGHMEM 영역에 직접 접근 불가

가상 메모리 구조
- 전체 4GB 크기의 주소 공간
- 최상단 Reserved 영역 (128MB)
- 중간 Kernel 영역 (3GB~4GB)
- 하단 User 영역 (0~3GB)
물리적 메모리 구성
- ZONE_HIGHMEM
  - 896MB 이상의 메모리 영역
- ZONE_NORMAL
  - 0~896MB 영역
- 점선으로 표시된 매핑 관계는 가상 메모리와 물리 메모리 간의 변환을 나타냄
매핑 관계
- User 영역은 ZONE_NORMAL과 ZONE_HIGHMEM 모두에 매핑 가능
- Kernel 영역은 주로 ZONE_NORMAL에 직접 매핑
- Reserved 영역은 ZONE_HIGHMEM 접근을 위한 임시 매핑 공간으로 활용

2. TLB(Translation Lookaside Buffer)

주소 변환을 빠르게 수행하기 위한 캐시
최근에 사용된 페이지 테이블 엔트리를 저장하여 페이지 테이블에 접근하는 시간 감소
TLB의 크기는 보통 16~256개의 엔트리를 가지며 LRU(Least Recently Used) 알고리즘을 사용하여 교체 정책을 결정

3. 페이지 테이블 구조

페이지 테이블은 가상 주소를 물리 주소로 변환하는 데 사용되는 데이터 구조
프로세스에 대해 독립적으로 유지
페이지 테이블 엔트리는 해당 페이지의 물리 주소와 상태 정보를 포함
메모리 사용을 최적화하고 페이지 테이블의 크기를 줄이는 데 기여

4. 가상/물리 메모리 맵

가상 메모리와 물리 메모리 간의 매핑을 관리
가상 메모리는 프로세스가 사용하는 논리적 주소 공간이며 물리 메모리는 실제 하드웨어 메모리
페이지 테이블을 사용하여 가상 주소를 물리 주소로 변환
매핑은 페이지 폴트가 발생할 때마다 업데이트

주소 공간 분할

0-3GB
- 프로세스 주소 공간
3GB-4GB
- 커널 주소 공간
PAGE_OFFSET을 기준으로 유저/커널 영역 구분

커널 영역 구성

ZONE_DMA
- 16MB까지의 DMA 가능 영역
ZONE_NORMAL
- 896MB 크기의 일반 메모리 영역
vmalloc area
- 동적 메모리 할당 영역
kmap space
- 임시 매핑 공간
Fixed addr mapping
- 고정 주소 매핑 영역

메모리 매핑 방식

유저 페이지 테이블
- 프로세스의 가상-물리 주소 매핑
커널 영역
- 선형 매핑(linear addr - PAGE_OFFSET)
ZONE_NORMAL
- PTE 매핑으로 관리
kmap/kmap_atomic
- 고차 메모리 접근을 위한 동적 매핑

5. 메모리 압축 및 투명한 대형 페이지

메모리 압축

메모리 압축은 사용 가능한 메모리 용량을 늘리기 위해 메모리 페이지를 압축하는 기술
- 메모리 사용량을 줄이고 페이지 교체를 최소화하여 성능을 향상
- zswap과 같은 메모리 압축 기능을 제공하여 페이지를 압축하여 스왑 공간에 저장

투명한 대형 페이지 (Transparent Huge Pages)

일반 페이지 대신 큰 페이지를 사용하여 페이지 테이블의 크기를 줄이고 페이지 폴트 발생 빈도를 낮추어 성능을 향상시키는 기술
- 일반적으로 2MB 또는 1GB 크기
- 데이터베이스와 같은 메모리 집약적인 애플리케이션에서 유용하게 사용

6. 시스템 호출

mmap

파일이나 장치를 메모리에 매핑하는 데 사용

메모리 매핑을 통해 파일의 내용을 메모리에서 직접 접근

#include <sys/mman.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    int fd = open("example.txt", O_RDONLY);
    size_t length = 4096; // 매핑할 크기
    char *map = mmap(NULL, length, PROT_READ, MAP_PRIVATE, fd, 0);
    if (map == MAP_FAILED) {
        perror("mmap");
        return 1;
    }
    // 파일 내용 사용
    munmap(map, length);
    close(fd);
    return 0;
}

brk 및 sbrk

프로세스의 힙 영역을 확장하거나 축소하는 데 사용
brk는 힙의 끝 주소를 설정

sbrk는 힙의 크기를 증가시키거나 감소

#include <unistd.h>

int main() {
    void *old_brk = sbrk(0); // 현재 힙의 끝 주소를 가져옴
    sbrk(1024); // 힙을 1024바이트 증가
    return 0;
}

7. 메모리 관리 방법

메모리 누수
- 할당된 메모리를 해제하지 않으면 메모리 누수가 발생
- 모든 동적 메모리 할당 후에는 반드시 해제를 수행 필요
페이지 폴트
- 페이지 폴트가 자주 발생하면 성능이 저하
- 메모리 접근 패턴을 최적화하거나 대규모 페이지를 사용하는 것이 좋음
디버깅 팁
- valgrind
  - 메모리 누수를 검사하고, 메모리 오류를 찾는 데 유용한 도구
- /proc/PID/maps
  - 특정 프로세스의 메모리 맵을 확인하여 메모리 사용 현황을 파악

8. 결론

물리 메모리 구성 및 가상 주소 관리는 운영 체제의 성능과 안정성에 중요한 기능을 합니다. 페이지 프레임 디스크립터, 존, 노드, HIGHMEM, TLB, 페이지 테이블 구조, 메모리 압축, 투명한 대형 페이지, 메모리 관리 개선 사항 등 다양한 구성 요소를 통해 메모리 관리의 효율성을 높일 수 있습니다.