[OS] 가상 메모리 #1 (Virtual Memory)

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🖥️ 시작하며

🔍 Paging

📌 Features

• 물리적 주소 공간이 비연속적일 수 있도록 허용한다.

• 물리적 메모리를 Frame 이라는 고정된 크기의 블록으로 나눈다.

• 논리적(가상) 메모리를 Page 라는 동일한 크기의 블록으로 나눈다.
• Page 는 보통 4KB의 크기를 가진다.

• 보통 Page 와 Frame 은 같은 크기로 지정된다. (매칭을 편하게 하기 위함이지만 필수는 아니다.)

• N 페이지 크기의 프로그램을 사용하려면, N개의 여유 프레임을 찾아 프로그램을 로드한다.

• OS는 빈 프레임을 추적하고 유지한다.

• 가상 주소(Page)를 실제 주소(Frame)로 변환할 수 있는 Page Table 을 설정한다

32bit 운영체제에서 4GB 메모리를 장착했다고 가정하자.

⚙️ 각 프로세스는 프로세스마다 가상의 주소 공간 페이지와 페이지 테이블을 가진다.

⚙️ 유저는 가상의 ‘크고 연속적인’ 주소 공간을 보고, 쓸 수 있게 된다.

⚙️ 가상-실제 맵핑은 오직 운영체제만 알아야 한다.

📌 주소 공간을 변환하는 방법

1. < Virtual Page Number (VPN) :: offset >
• VPN : Page Table의 인덱스
• offset : 변위 차

2. Page Table 에서 VPN 이 Page Frame Number (PFN) 으로 변환된다.

3. 실제 주소는 < PFN :: offset >이 된다.

→ VPN 은 Page Table 을 거쳐 PFN 으로 변환된다.

💡 예시를 들어보자.

• Virtual Address : 32bit (4GB)

• Physical Address : 20bit (1MB)
• 이 컴퓨터의 물리 메모리는 1MB라는 의미

• Page Size : 4KB

• Offset : 12bit

1. 페이지 테이블의 크기는 이다.

2. VPN이 20bit이므로 Page Table의 열이 필요하다.

🔍 Pag Table Entries (PTEs)

• Vaild bit (V) : 가상의 주소가 사용되었는지 아닌지. 즉 데이터가 유효한지에 대한 여부다. Vaild bit가 0이라면 disk상에 데이터가 존재하는 것이므로 Swapping 해서 올라와야 한다.

• Reference bit (R) : 페이지에 엑세스되었는지. 읽기/쓰기 모두 표시한다.

• Modify bit (B) : 데이터가 Write 되었는지. 즉 데이터가 오염되었는지 체크한다.

• Protection bits (Prot) : Read/Write/Execute가 가능한지. 3개의 값을 알아야 하므로 2비트를 배정

💡 참고: 통상적인 32bit 시스템에서의 PTE의 구조

📌 Advantges

• 물리적 메모리에 필요할 때마다 할당 가능하다.
• 비어 있는 Frame에 (보통 4KB씩) 할당한다.

• 외부 단편화가 없다.
• 4KB로 Fixed 되어있기 때문에

• 페이지 사이즈가 동일하므로, Disk로 내려보내거나 할 때 ‘그냥 지우면’ 된다.

• 주소 공간을 보호하기 좋다.

• 페이지를 공유해 프로세스끼리 데이터 공유가 용이하다.

📌 Disadvantages

• 내부 단편화가 존재한다.
• 당연히 페이지 안의 모든 공간을 쓰지 않을 수도 있다.

• Page Table은 메모리에 존재한다. 그러므로 메모리를 2번 읽고 쓰는 과정에서 오버헤드가 크다.

• Page Table을 만들어서 잡아둬야 하므로 공간 오버헤드가 발생한다.
• 보통 4MB크기의 Page Table이 생성된다. ()
 

🔍 Demand Paging

• 프로그램이 요청할 때만 페이지를 생성함으로써 아래와 같은 이득이 생김
• I/O 감소
• 메모리 필요 감소
• 빠른 반응 속도
• 더 많은 프로그램을 돌릴 수 있음

• 운영체제가 Main Memory를 Cache 처럼 사용하는 기법!
• Disk에 있는 데이터들을 물리 메모리에 올려서 사용!
→ 마치 캐시처럼 작동.
• 만약 물리 메모리가 전부 찬다면, Swap 수행 (eviection and load)

• 제거된 Pages 들이 Disk로 이동할 때
• Main Memory의 Page 에서, Dirty 상태일 때만 다시 디스크에 쓰면 된다!
→ 읽기만 했다면 데이터가 오염되지 않았으므로 업데이트 할 필요 없음
• Memory - Disk 간 Page 이동은 OS에 의해 수행됨
→ 사용자 프로그램이 신경쓰지 않아도 됨
 

📌 Page Faults

• Page가 Disk로 내려갔을 때, OS는 PTE (Page Table Entry) 의 Vaild 값을 0으로 변경

• 여기서 Page를 참조하려고 할 때 예외가 발생 → Page Faults!

⚙️ Page Faults가 일어나면 OS가 Page Fault Handler 실행

💡궁금증 : 그렇다면 PTE에 위치 정보가 어떻게 저장될까?

• Valid Bit 사용: PTE의 Valid Bit가 0이면, 해당 페이지가 스왑 파일에 있음을 나타낸다.
이때 PFN 필드는 실제 물리 프레임 번호가 아니라 스왑 파일의 위치를 나타내는 데 사용됨.

📎 예시로 설명

• 누구를 물리 메모리 프레임에서 뺄 것인지에 대한 알고리즘이 중요해 진다.

• 하지만, 보통 OS가 빈 공간을 확보, 유지 중이다.

📌 위와 같은 작업들이 어떻게 가능한가?

1️⃣ 지역성 (Locality)

• 시간적 지역성 : 최근에 참조된 위치는 곧 다시 참조됨

• 공간적 지역성 : 최근 참조된 위치 근처는 곧 다시 참조됨

2️⃣ Locality는 Page Faults가 그다지 일어나지 않는다는 의미도 내포

• 일단 호출하면 여러 번 사용되고, 평균적으로 호출된 것을 호출함

• 허나 이런 특성은 여러 가지에 의존됨
• 사용자 프로그램의 지역성 정도
• 페이지 교체 정책
• 물리 메모리의 크기
• 사용자 프로그램의 참조 패턴 및 메모리 사용량

📌 왜 이게 “Demand” Paging인가?

1. 프로세스가 처음 시작되면, PTE 의 Vaild bit 가 모두 false 인 새로운 페이지 테이블을 만듦
• 모든 페이지들은 비어 있다!
• 아직 물리적 메모리에 매핑된 페이지가 없음. 즉, 메모리에 로드되지 않고 아직 디스크에 존재

2. 프로세스가 실행을 시작하면
• 처음에는 다 비어있기 때문에 Page Fault 발생
• Faults 는 필요한 코드나 데이터가 메모리에 들어가면 멈춤
• 필요한 데이터만 로드하면 됨

🔍 Segmentation

• 사용자는 메모리를 다양한 사이즈의 세그먼트 모음으로 보게 됨
• 이 세그먼트 모음에 순서는 없음
• 가상 주소는 <Segment # :: Offset> 으로 나타남

• 서로 다른 세그먼트가 독립적으로 크기를 변형할 수 있음

• 가변 파티션의 자연스러운 확장이 가능함
• 가변 파티션 : 한 프로세스가 하나의 세그먼트를 가짐
• Segmentation : 한 프로세스가 많은 세그먼트를 가짐

⚙️  가변 크기 파티션 VS Segmentation 

• 가변 크기 파티션은 프로세스가 필요로 하는 메모리 크기에 맞춰 동적으로 할당되는 메모리 블록을 의미

• 1 segment / process는 각 프로세스가 하나의 큰 메모리 블록(세그먼트)을 할당받는다는 것

• 외부 단편화 문제가 생길 수 있음

• 세그멘테이션은 프로세스가 여러 개의 세그먼트로 구성된다는 개념 각 세그먼트는 논리적으로 관련된 데이터 단위(예: 코드, 스택, 힙 등)를 포함

• many segments / process는 각 프로세스가 여러 개의 세그먼트를 가질 수 있다는 뜻

📌 Hardware Support

📌 Advantages

• 세그먼트 데이터 구조를 수정하기 쉽다. limit 레지스터만 변경하면 되기 때문!

• 세그먼트를 보호하기 쉽다.
• Page 방식이면 아래와 같은 사진에서 Protection bit 에 관한 권한 처리를 별도로 하기 힘들지만, 세그먼트라면 쉽게 가능



 

• 세그먼트를 다른 프로세스와 공유하기 용이하다. base , limit 레지스터를 공유하면 되기 때문!
• 보통 Code, Data 섹션을 공유한다.

📌 Disadvantages

• 주소 공간이 연속적이지 않으므로 포인터 사용이 어렵다.
• 세그먼트 간에 포인터를 공유하려면, 포인터가 가리키는 세그먼트 번호가 같아야 함
• 예를 들어, 프로세스 A의 세그먼트 2에 있는 데이터를 프로세스 B도 접근하려면 프로세스 B에서도 같은 세그먼트 번호 2를 사용해야 함
• 만약 세그먼트 번호가 다르면, 직접 주소 참조가 불가능해지고, 대신 간접 주소 방식(indirect addressing)을 사용하게 됨
→ 이는 간접 주소 테이블을 통해 실제 세그먼트를 찾아가는 방식으로, 성능 저하와 복잡성을 유발

• 세그먼트 테이블이 커짐

• 외부 단편화 존재

🔍 Paging vs Segmentation

⚙️ 보통 세그먼트 기법과 페이징 기법을 섞어서 사용함! (Segment 내부를 Page로 나누는 식)

📌 Combine Segmentation with Paging

1. 논리적으로 비슷한 유닛들을 Segment로 관리
• 코드, 데이터, 힙, 스택 등
• 세그먼트의 크기는 다양하지만 보통 큼 (여러 페이지)

2. 페이지를 사용해 세그먼트를 고정된 크기의 청크로 분할
• 물리 메모리 내에서 세그먼트를 더 쉽게 관리 가능
• 세그먼트가 Pageable 하다 : Demand Paging처럼 일부는 Memory에, 일부는 Disk에 적재
→ 세그먼트 전체를 Swap할 필요 없이, 부분부분 페이지를 스왑하면 된다!
• 외부 단편화 없음!