[운영체제] 9강 - 가상 메모리

✅ 1. 가상 메모리의 개념

(1) 연속 메모리 할당

• 연속 메모리 할당: 프로세스의 전체 크기만큼 메모리의 빈 공간에 연속된 위치에 통째로 배치하는 메모리 관리 기법임.
• 연속 메모리 할당 문제점: 메모리 크기보다 더 큰 기억공간이 필요한 프로세스는 실행이 불가능함.
• 쉽게 말해, 프로세스의 크기가 현재 메모리에 남아있는 잔여 메모리 공간 중에서 프로세스의 크기만큼의 연속된 공간이 없다면 아무리 메모리 잔여량이 많아도 그 프로세스는 실행이 될 수 없다는 의미임.
• 즉, 프로세스의 크기가 현재 메모리 자체의 크기보다 큰 경우와 프로세스의 크기가 현재 메모리 크기보다 작지만 연속 공간이 없는 경우로 나눌 수 있지만 연속 공간이 없는 경우가 핵심임.

(2) 가상 메모리 란?

• 가상 메모리: 메모리 크기보다 더 큰 기억공간이 필요한 프로세스도 실행할 수 있게 해주는 방법을 의미함.
• 쉽게 말해, 실제 메모리 용량보다 프로세스가 더 큰 경우와 메모리 공간은 충분한데 연속 공간이 없는 경우에 해당 가상 메모리를 활용 할 수 있으며, 가상 메모리는 프로세스의 일부분만 실제 메모리에 쪼개서 넣게 됨.
• ** 이러면 용량이 차이가 나도 쪼개서 실행되기 때문에 문제 없이 수행이 되고, 연속 공간이 없더라도 쪼개서 빈 공간에 넣게 되므로, 문제가 없이 수행이 되는 원리임. **

• 프로세스 내부에서 수행되는 코드가 참조하는 주소와 실제 메모리에 올라간 주소랑은 다를 수 있음.
• 즉, 프로세스 내부 코드(메모리 참조 주소)와 가상 메모리로 쪼개서 실제 메모리에 담긴 주소(물리 주소)는 다를 수 있음.
• 이유는, 가상 메모리에서 프로세스의 일부분만 실제 메모리에 올리는데, 일부분만 올라가기 때문에 참조하는 주소의 데이터가 아예 디스크에 남아있어 참조가 불가능 할 수도 있고, 쪼개서 넣기 때문에 주소값이 프로세스 코드가 참조하는 주소값이랑 물리적으로 쪼개져서 올라간 주소값이랑 다를 수 있음.
• 그렇기 때문에 실행 중인 프로세스에 의해 참조되는 주소를 메모리에서 사용하는 주소와 분리를 해줘야함.
• 가상주소: 프로세스 내부 코드의 주소로 볼 수 있으며, 논리적인 번지수로 보면 됨.
• 가상주소공간: 프로세스가 사용할 수 있는 주소의 전체 범위를 의미함.
• 사상(mapping): 가상주소에서 실주소로 변환하는 과정으로 볼 수 있음. ( 위에서 가상주소(a) 가 실주소(b) 로 변환된 원리 )

(3) 가상 메모리 - 사상(mapping)

• 사상(mapping): 프로세스의 가상주소를 실주소로 변환하는 과정을 의미하며, 주소변환 기법을 통해 변환을 시킴.
• 동적 주소변환(DAT): 언제 어디로 실주소 공간에 할당될지 모르기 때문에 프로세스가 실행되는 동안 동적으로 주소를 변환 시켜주어 사상(mapping) 을 함. ( 필수적임 )
• 인위적 연속성: 가상주소 공간에서 연속적인 주소가 실주소 공간에서도 연속적일 필요는 없음.

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✅ 2. 블록 단위 주소변환

(1) 주소변환

• 주소변환: 가상 주소를 실제 메인 메모리의 물리 주소(실주소)로 바꾸는 전체 과정을 의미함.
• 주소변환 사상표: 가상 주소와 물리 주소의 주소변환을 위한 정보를 가진 표로 가상 기억장치의 블록(페이지 등)이 물리 기억장치의 어느 위치에 있는지 나타내는 표로 볼 수 있음. 즉, 블록 단위로 주소변환을 시킴.
• ** 쉽게 말해, 가상 메모리의 1번 가상 주소는 실 메모리 주소의 어디에 위치 시킬 것인가에 대한 정보를 가지고 있음. **
• 블록 단위인 이유: 주소변환이 바이트나 워드 단위로 이뤄지면 변환에 필요한 정보량이 너무 많아서 블록 단위로 진행함.

(2) 블록 사상 시스템

• 워드, 바이트 단위로 주소변환이 이뤄지면 정보량이 너무 많아 블록 단위로 진행을 함.

• 블록 사상 시스템: 블록 단위로 주소변환 하는 시스템을 의미하며, 가상 메모리의 각 블록이 메모리의 어디에 위치하는지에 대한 관리까지 하는 시스템을 의미함. ( 즉, 사상표 자체가 블록 단위로 주소변환을 함 )
• 블록 번호: 해당 블록의 가상 주소를 의미한다.
• 블록의 시작점으로부터의 변위: 블록 시작점을 기준으로 얼마나 떨어져 있는지에 대한 위치를 의미함.

• 블록의 크기에 따라서 장단점이 존재하며, 블록의 크기는 적절히 정해야 함.
• 크기가 커질수록: 사상표 크기가 감소하는 장점, 블록 전송시간 증가, 동시에 적재할 프로세스 수 감소하는 단점 존재
• 크기가 작아질수록: 사상표 크기 증가하는 단점, 블록 전송시간 감소, 동시에 적재할 프로세스 수 증가하는 장점 존재

(3) 블록 구성방식

• 페이지(page): 페이징(가상 메모리를 고정된 크기로 나누는 방식)을 통해서 나눠진 분할 단위를 페이지(page) 라고 함.
• 세그먼트(segment): 세그먼테이션(가상 메모리를 의미(논리적 단위)기준으로 나누는 방식을 통해 나눠진 분할 단위를 세그먼트라고 함. 즉, 블록마다 크기가 다를 수 있음.

(4) 페이징 기법

• 페이징 기법: 가상 메모리를 페이지 단위(동일한 크기의 블록)로 나누어 관리하는 기법을 의미한다.
• 또한, 메모리 영역 자체도 페이지와 동일한 크기의 페이지 프레임으로 나누게 되는데, 가상 메모리의 페이지 크기와 실제 메모리의 페이지 프레임의 크기는 동일함.
• 페이지 프레임: 가상 메모리의 페이지 단위로 동일한 크기로 실 메모리 또한 동일하게 나눈 빈 칸을 페이지 프레임이라고 함.
• 즉, 가상 메모리의 페이지를 실메모리에 담을 수 있는 공간을 페이지 프레임이라고 할 수 있음.

• 페이지 사상표: 페이징 기법에 대한 미리 정의 된 사상표로 해당 가상 메모리에 만들어진 페이지 단위를 실 메모리 페이지 프레임에 매핑을 시켜주는 역할을 함.
• 쉽게 말해, 이미 실메모리 자체도 페이지 프레임이라는 칸들로 다 쪼개져 있는 상태에서 운영체제가 빈 공간 아무 곳이나 찾아서 페이지 번호와 프레임 번호를 페이지 사상표에 기재를 한 뒤 동적 사상의 조회(페이지 사상표를 보고 실제 위치를 실시간으로 찾아가는 작업)을 통해서 연결(논리적인 주소를 실제 물리적인 프레임 주소로 변환하여 데이터를 가져오는 작업)을 진행함으로써 페이징 처리가 됨.

(5) 페이징 기법 - 구체적인 동작 원리

• 페이지 사상표: 가상주소를 실주소로 동적 변환 할 수 있게 도와주는 하나의 정보가 집약된 표로 보면 됨.
• 즉, 단계로 설명하면 페이지 번호를 통해서 페이지 존재 비트를 확인을 한 뒤(1:true, 0:false) 인지 판단 후 1인 경우 페이지 프레임(실 메모리)에 적재가 되어있다고 판단할 수 있음.
• 만약 페이지 존재 비트가 0인 경우 적재가 되어있지 않으므로, 페이지 프레임(실 메모리)에 올려줘야 하므로, 보조기억장치 주소를 통해서 데이터를 가져와 페이지 프레임(실 메모리)번호 를 통해서 적재를 시키는 원리임.
• 또한, 매핑뿐 아니라 페이지 프레임에서 보조기억장치에 저장을 하는 과정에서도 결국 보조기억장치 주소가 필요하므로, 해당 보조기억장치 주소를 활용해 데이터를 저장하게 되는 목적이 있음.

• 직접 사상에 의한 동적 주소 변환: 가상주소 3은 페이지 번호를 나타내며, 8은 페이지 시작점으로부터 8만큼 떨어진 변위를 나타낸다. 또한, 페이지 사상표를 본 후 페이지 프레임 번호 5번을 통해서 페이지 크기 1024 를 곱한 값에 8을 더하게 되면 실 메모리 주소의 값을 얻을 수 있게 되는 원리임. ( 즉, 이러한 원리로 가상주소가 실주소로 변하는 것임. )

• 연관사상에 의한 동적 주소변환: 직접사상은 하나하나 다 훑으면서 찾는것과 반대로 연관사상은 빠른 하드웨어를 통해서 페이지 번호를 바로 찾아서 매핑을 통해 동적 주소변환하는 방식임.
• 즉, 페이지 사상표에 전체를 쓰면 직접 사상이되고, 페이지 사상표 일부만 쓰는 것은 연관사상으로 보면 됨.
• ** 하지만, 연관 사상은 전체 보관이 불가능하기 때문에 연관/직접 사상 두 가지를 활용하는 방식을 이용 할 수 밖에 없음. **

• 연관/직접 사상에 의한 동적 주소변환: 연관사상표에는 가장 최근에 참조된 페이지 몇가지만을 보관하며, 연관사상표에 없을 때만 직접사상을 통해 페이지 사상표를 보고 매핑을 진행함.

(6) 페이징 기법 - 특징

• 논리적 의미와 무관한 동일 크기의 페이지로 나눔: 단순히 동일한 크기의 페이지로 나눔으로써, 어떤 데이터가 어디에 있는지는 보지 않음. ( 매우 단순함 )
• 메모리 보호는 페이지 단위로 이루어짐: 하나의 프로세스는 하나의 페이지 프레임을 쓰기 때문에 해당 페이지 단위를 벗어나게 되면 다른 프로세스에 접근이 될 수 있기 때문에 페이지 단위로 메모리 보호를 함.
• 외부 단편화가 발생하지 않음: 페이지라는 동일한 크기의 블럭으로 쪼개기 때문에, 외부 단편화(삽입과 삭제로 인해서 발생하는 메모리의 빈 공간)가 발생하지 않음.
• 내부 단편화는 발생 가능: 페이지 단위는 동일한 크기로 쪼개기 때문에, 어떤 프로세스가 얼마나 크고 작은지는 생각하지 않기 때문에 결국 페이지 프레임의 용량을 온전히 다 사용하지 않고 남는 빈 공간이 생길 가능성이 있음. ( 발생 가능성 미미함. )

(7) 세그먼테이션 기법

• 세그먼테이션 기법: 가상 메모리를 세그먼트 단위로 나누어 관리하는 기법을 의미한다.
• 세그먼트: 논리적 의미에 부합하는 다양한 크기의 블록 단위를 의미한다.
• 가상 메모리상의 데이터들은 변수, 함수, 스택, 힙 등 다양한 데이터가 존재하는데, 이러한 데이터들을 논리적 의미에 맞게 다양한 크기의 블록으로 쪼개는 방식을 의미할 수 있음.
• 또한, 세그먼트 사상표를 이용하여 동적 주소변환을 진행하는데, 세그먼트의 크기는 제각각 다르기 때문에 메모리 할당, 제거 를 반복 할 때 외부 단편화가 발생 할 수 있음.

• 세그먼트 번호: 페이지와 동일하게 번호를 가지고 있음.
• 세그먼트 존재 비트: 페이지와 동일하게 해당 실 메모리 세그먼트에 적재되어있는지 판단함.
• 보조기억장치 주소: 페이지와 동일하게 보조기억장치의 주소를 통해서 데이터를 꺼내는 작업을 함.
• 세그먼트 길이: 페이지와 다르게 크기가 다양하기 때문에 번호가 따로 존재하지 않아 세그먼트 길이를 넣어줘야함.
• 세그먼트 시작주소: 페이지와 다르게 크기가 다양하기 때문에 번호가 따로 존재하지 않아 세그먼트 시작주소를 넣어줘야함.

• 세그먼테이션 동적 주소변환: 가상주소의 3은 세그먼트 번호가 되며, 8을 변위가 된다. 이후, 세그먼트 사상표를 통해 1200의 실 메모리 시작주소와 변위를 더한 값을 통해 실 메모리 주소로 변환이 가능함.

(8) 페이징/세그먼테이션 - 혼용한 기법

• 세그먼테이션 기법 장점: 논리적, 의미적으로 나누기 때문에 효율적으로 볼 수 있음.
• 페이징 기법 장점: 같은 크기로 나누기 때문에 실제 메모리에서 외부단편화와 같은 낭비 없이 사용이 가능함.
• 페이징/세그먼테이션 혼용기법: 위의 두 가지 장점을 혼용한 방식이며, 먼저 가상 메모리를 세그먼트 논리적인 단위로 분할 한 뒤, 각 세그먼트를 다시 페이지 단위로 분할해서 최종적으로 페이지 프레임으로 동일한 블럭을 갖는 구조로 만드는 기법임.

• (1) 연관 사상표 참조: 먼저 연관 사상표를 통해서 최근 참조된 페이지 주소변환을 시켜줌.
• (2) 세그먼트 사상표 참조: 연관 사상표에 없다면, 먼저 가상주소 3(세그먼트 번호)를 통해 세그먼트 사상표 3을 참고함.
• (3) 페이지 사상표 참조: 다음으로는 가상 주소 두 번째 숫자인 7(페이지 번호)를 통해서 페이지 사상표의 페이지 번호를 통해 변위랑 더하게 되면 실주소를 얻는데, 이것을 동적 주소변환이라하며, 결과적으로 해당 위치에 데이터를 적재하게 됨.

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✅ 3. 메모리 호출기법

(1) 메모리 호출기법 이란?

• 메모리 호출기법: 페이지 또는 세그먼트를 메모리에 어느 시점에 적재할 것인가를 결정하는 기법
• 페이징 기법에서의 호출기법 종류: 요구 페이지 호출기법, 예상 페이지 호출기법 2가지가 존재함.

(2) 요구 페이지 호출기법

• 요구 페이지 호출기법: 페이지 요구를 통해 페이지 및 세그먼트 존재 비트가 0인 경우 페이지를 메모리에 적재하는 기법임.
• 그냥 단순하게 페이지 요구하는 시점에 실 메모리에 적재가 안되어 있는 존재 비트 0인 경우에 적재를 하는 것임.

(3) 예상 페이지 호출기법

• 예상 페이지 호출기법: 곧 사용될 것으로 예상되는 페이지를 미리 메모리에 적재하는 방법임.
• 쉽게 말해, 가상 메모리 실행 위치가 b 인 상태에서 미리 페이지 c를 실 메모리(페이지 프레임)에 적재를 시켜놓는 방식임.

(4) 메모리 호출기법 비교

• 요구 페이지 호출기법 장점: 옮길 페이지 결정에 대해서 그때그때 옮기면 되기 때문에 현재 시점에선 오버헤드 최소화가 되며, 적재된 페이지는 실제로 바로 참조가 되기 때문에 현 시점에선 낭비가 없음.
• 요구 페이지 호출기법 단점: 프로세스 시작 초반에는 페이지가 프레임에 적재되어 있지 않아, 매번 적재를 해줘야 함.
• 예상 페이지 호출기법 장점: 프로세스 시작 시점에 적용하면 성능이 개선되는 장점이 있음.
• 예상 페이지 호출기법 단점: 예상이 잘못된 경우 즉, 실 메모리에서 사용이 되지 않는 경우에는 시간과 메모리 공간에 대한 낭비가 존재함.

TIP

• 가상 주소: 각 프로세스의 0~n 번까지의 주소를 의미함. ( 프로세스가 사용하는 전체 주소 값임 )
• 페이지 번호: 프로세스마다 따라 존재하며, 프로세스의 가상 주소를 나눈 단위임.
• 페이지 테이블(사상표): 프로세스별로 존재하며, 가상 주소 공간에서 같은 주소를 가지는 프로세스가 존재한다고 하면, 물리 공간에서 다르게 매핑을 해줘야 하기 때문에 페이지 테이블도 따로 존재해야함.