가상 메모리에 대해 설명해보세요.
가상 메모리란?
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프로세스 전체가 메모리 내에 올라오지 않더라도 실행이 가능하도록 하는 기법이다.
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프로세스를 실행할 때 실행에 필요한 일부만 메모리에 올리고 나머지는 디스크에 저장한다.
가상 메모리의 배경
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프로세스가 실행되는 코드의 전부가 물리 메모리에 존재해야 한다.
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하지만 실제로는 코드의 일부에서만 대부분의 시간을 사용하고, 특정 순간에는 작은 양의 주소 공간을 사용한다.
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메모리 용량보다 큰 프로그램은 실행시킬 수 없다.
가상 메모리의 특징
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물리 메모리 크기에 제약받지 않는다.
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더 많은 프로그램을 동시에 실행할 수 있어 CPU의 활용률이 높다.
가상 메모리가 하는 일
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사용자에게 논리적 메모리와 물리적 메모리를 분리하여 인식하도록 한다.
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가상 주소 공간(Virtual Address Space)
: 적은 양의 물리적 메모리만 사용 가능할 때에도 사용자에게 대용량의 가상 주소 공간을 제공할 수 있다. -
프로세스 간의 페이지 공유
: 둘 이상의 프로세스가 파일 또는 메모리를 공유하게 해준다.
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Demand Paging(요구 페이징)
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프로세스의 모든 데이터를 메모리에 적재하지 않고, 실제 필요한 page만 메모리에 올리는 것을 Demand Paging(요구 페이징)이라고 한다. 이를 통해 메모리 사용량이 감소하고, 프로세스 전체를 메모리에 적재하는 입출력 오버헤드가 감소한다.
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유효/무효 비트(valid/invalid bit)를 사용하여 page table에서 해당 page가 메모리에 있는지 확인한다.
- 비트가 유효하면 해당 페이지가 메모리에 존재하고, 비트가 무효하면 메모리에 없음을 의미한다.
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CPU가 접근하려는 페이지가 메모리에 없는 경우(무효 비트)를 Page Fault(페이지 부재)라고 한다. 페이지 부재가 발생할 경우 다음과 같은 과정을 통해 그 페이지를 메모리에 적재한다.
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MMU가 운영체제에 Page Fault Trap(페이지 부재 트랩)을 발생시킨다.
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유효하지 않은 참조인 경우 프로세스를 종료시키고, 그렇지 않다면 빈 프레임을 찾아 페이지를 할당한다.
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프레임 번호를 설정하고, valid bit를 1로 변경시켜 페이지 테이블을 갱신한다.
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다시 명령어로 돌아가서 실행한다.
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Page Replacement Algorithms(페이지 교체 알고리즘)
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이미 메모리에 있는 페이지 중 하나를 backing store에 보내고(page-out), 새로운 페이지를 메모리에 올리는(page-in) 작업을 페이지 교체라고 한다. 메모리가 가득 찼을 때 다른 프로그램이 새로 실행되거나 실행중인 프로세스가 다른 페이지를 요구할 때 발생한다. 이 때, page-out되는 페이지를 Victim Page(희생 페이지)라고 하는데, 희생 페이지를 정하는 것이 페이지 교체 알고리즘이다.
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FIFO(First-In, First-Out)
: 가장 단순한 알고리즘으로, 가장 먼저 page-in 한 페이지를 먼저 page-out 시킨다. -
OPT(OPTimal)
: 가장 오랫동안 사용되지 않을 페이지를 교체하는 방식이다. 미래의 참조를 모두 알고 있어야 하므로 구현이 어렵다. -
LRU(Least-Recently-Used)
: 가장 오랫동안 사용하지 않은 페이지를 교체하는 방식이다. OPT 알고리즘과 비슷한 효과를 내어 성능이 좋은 편이다. -
LFU(Least-Frequently-Used)
: 가장 참조 횟수가 적은 페이지를 교체하는 방식이다. -
MFU(Most-Frequently-Used)
: 가장 참조 횟수가 많은 페이지를 교체하는 방식이다.
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Thrashing(스레싱)
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Thrashing(스레싱)은 프로세스가 원활한 수행에 필요한 최소한의 page frame을 할당받지 못해서 반복적으로 page fault가 발생하고, 실행보다 swapping 하는데 더 많은 시간을 소모하여 CPU 이용률이 떨어지는 현상을 말한다.
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CPU 이용률이 떨어지면 다중 프로그래밍의 정도(MPD, Multi-Programming Degree)를 높이게 되는데, 동시에 실행하는 프로세스가 많아질수록 각 프로세스에 할당된 메모리 page frame들은 더 작아지게 된다. 너무 적은 page frame을 할당받은 프로세스들은 page fault가 증가하게 되어 swapping이 증가하게 되고 결국 cpu의 이용률이 더 떨어지게 되는 악순환이 생긴다.
Thrashing 해결 방법
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Thrashing을 해결하기 위해서 프로세스에게 적절한 frame을 할당해야 한다.
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Working set
: 지역성의 원리(프로세스가 특정 시간 동안 일정 장소를 집중적으로 참조하는 성질)를 이용하여 지역성 집합이 메모리에 동시에 올라갈 수 있도록 보장하는 메모리 관리 방법이다. -
PFF(Page Fault Frequency)
: page fault의 상한값과 하한값을 두고, page fault rate가 상한값을 넘으면 frame을 더 할당하고, 하한값보다 낮아지면 할당된 frame 수를 줄이는 방법이다.
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