⭐️⭐️⭐️[가상 메모리] 페이징을 통한 가상 메모리 관리

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프로세스를 메모리에 연속적으로 할당하는 방식의 문제점 2️⃣

1. 외부 단편화
2. 물리 메모리보다 큰 프로세스는 실행할 수 없다.

가상 메모리

• 실행하고자 하는 프로그램을 일부만 메모리에 적재하여 실제 물리 메모리 크기보다 더 큰 프로세스를 실행할 수 있게 하는 기술이다.
• 이를 가능하게 하는 가상 메모리 관리 기법에는 페이징과 세그멘테이션이 있다. 현대 대부분의 운영체제가 사용하는 기법은 페이징 기법이다.
• 페이징 기법을 이용하면 외부 단편화 문제를 해결할 수도 있고, 물리 메모리보다 큰 프로세스를 실행할 수도 있다.

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페이징

• 메모리와 프로세스를 일정한 단위로 자르고, 이를 메모리에 불연속적으로도 할당할 수 있다면 외부 단편화는 발생하지 않는다.
• 프로세스의 논리 주소 공간을 페이지라는 일정한 단위로 자르고, 메모리 물리 주소 공간을 프레임이라는 페이지와 동일한 크기의 일정한 단위로 자른 뒤 페이지를 프레임에 할당하는 가상 메모리 관리 기법이다.
• 스와핑을 사용할 수 있다. 프로세스 전체로 스왑 아웃/스왑 인되는 것이 아닌, 페이지 단위로 이루어진다. 그래서 페이지 아웃/페이지 인이라고 부르기도 한다.
• 페이지 단위로 이루어지기 때문에 실행에 필요한 일부 페이지만을 메모리에 적재하고, 당장 실행에 필요하지 않은 페이지들은 보조기억장치에 남겨둘 수 있다. 이와 같은 방식을 통해 물리 메모리보다 더 큰 프로세스를 실행할 수 있다.

페이징의 문제점 - 내부 단편화

• 모든 프로세스가 페이지 크기에 딱 맞게 잘리지 않는 문제점으로 인해 메모리가 낭비되는 현상이다.
• 내부 단편화는 하나의 페이지 크기보다 작은 크기로 발생한다. 하나의 페이지 크기를 작게 설정하면 내부 단편화의 크기도 작아질 것으로 기대할 수 있으나, 하나의 페이지 크기를 너무 작게 설정하면 페이지 테이블이 커지기 때문에 페이지 테이블이 차지하는 공간이 낭비된다.
• 그래서 내부 단편화를 적당히 방지하면서 너무 크지 않은 페이지 테이블이 만들어지도록 페이지의 크기를 조정하는 것이 중요하다.
• 참고로 리눅스를 포함한 일부 운영체제에서 기본적으로 설정된 페이지 크기보다 더 큰 크기의 페이지(대형 페이지)도 일부 허용하여 메모리에 유지하는 경우도 있다.

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페이지 테이블

• 페이징의 문제점은 프로세스가 메모리에 불연속적으로 배치되어 있게 된다는 것이다. 프로세스가 메모리에 불연속적으로 배치되면 CPU 입장에서 다음에 실행할 명령어 위치를 찾기가 어려워진다.
• 이를 해결하기 위해 페이징 시스템은 프로세스가 비록 실제 메모리 내의 주소인 물리 주소에 불연속적으로 배치되더라도 CPU가 바라보는 주소인 논리 주소에는 연속적으로 배치되도록 페이지 테이블을 이용한다. 즉, 프로세스들이 메모리에 분산되어 저장되어 있더라도 CPU는 논리 주소를 순차적으로 실행하면 된다.
• 페이지 테이블은 어떤 페이지가 어떤 프레임에 할당되었는지 알려준다.
• 프로세스마다 각자의 프로세스 테이블을 가지고 있고, 각 프로세스의 페이지 테이블들은 메모리에 적재되어 있다.
• CPU 내의 페이지 테이블 베이스 레지스터(PTBR)는 각 프로세스의 페이지 테이블이 적재된 주소를 가리키고 있다.
• 페이지 테이블 정보는 각 프로세스의 PCB에 기록된다.

페이지 테이블을 메모리에 두면 메모리 접근 시간이 2배로 늘어나는 문제점이 있다.

1. 메모리에 있는 페이지 테이블을 보기 위해
2. 그렇게 알게 된 프레임에 접근하기 위해

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TLB(Translation Lookaside Buffer)

• 메모리 접근 시간이 늘어나는 문제를 해결하기 위해 CPU 곁에 TLB라는 페이지 테이블의 캐시 메모리를 둔다.
• 페이지 테이블의 일부 내용을 저장한다. 참조 지역성에 근거해 주로 최근에 사용된 페이지 위주로 가져와 저장한다.
• TLB 히트: CPU가 발생한 논리 주소에 대한 페이지 번호가 TLB에 있을 때를 말한다. 이 때는 메모리에 접근할 필요가 없다.
• TLB 미스: CPU가 발생한 논리 주소에 대한 페이지 번호가 TLB에 없을 때를 말한다. 이 때는 메모리 내의 페이지 테이블에 접근해야 한다.

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페이징에서의 주소 변환

• 하나의 페이지 혹은 프레임은 여러 주소를 포괄하고 있다. 그래서 특정 주소에 접근하기 위해서는 2가지 정보가 필요하다.

1. 어떤 페이지 혹은 프레임에 접근하고 싶은지
2. 접근하려는 주소가 그 페이지 혹은 프레임으로부터 얼마나 떨어져 있는지

• 페이징 시스템에서는 모든 논리 주소가 페이지 번호와 변위로 이루어져 있다.
  • 페이지 번호: 페이지 테이블에서 해당 페이지 번호를 찾으면 페이지가 어떤 프레임에 할당되었는지 알 수 있다.
  • 변위: 접근하려는 주소가 프레임의 시작 번지로부터 얼만큼 떨어져 있는지 알기 위한 정보이다.
• 즉, 논리 주소는 페이지 테이블을 통해 물리 주소 <프레임 번호, 변위>로 변환된다. 참고로 논리 주소와 물리 주소의 변위 값은 같다.

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페이지 테이블 엔트리

• 페이지 테이블의 각 행
• 페이지 테이블 엔트리에는 페이지 번호, 프레임 번호, 유효 비트, 보호 비트, 참조 비트, 수정 비트 등이 담긴다.

유효 비트

• 현재 페이지가 메모리에 적재되어 있는지 아니면 보조기억장치(스왑 영역)에 있는지를 알려주는 비트이다. 메모리에 적재되어 있다면 유효 비트는 1, 그렇지 않다면 0이다.
• CPU가 메모리에 적재되어 있지 않은 페이지로 접근하려 하면 페이지 폴트(예외)가 발생한다.
• CPU가 페이지 폴트를 처리하는 과정은 하드웨어 인터럽트를 처리하는 과정과 유사하다.

1. CPU는 기존의 작업 내역을 백업한다.
2. 페이지 폴트 처리 루틴을 실행한다.
3. 페이지 처리 루틴은 원하는 페이지를 메모리로 가져온 뒤 유효 비트를 1로 변경해 준다.
4. 페이지 폴트를 처리했다면 이제 CPU는 해당 페이지로 접근할 수 있다.

보호 비트

• 페이지 보호 기능을 위해 존재하는 비트이다. 즉 접근할 권한을 제한하여 페이지를 보호한다.
• 해당 페이지가 읽고 쓰기가 모두 가능한 페이지인지, 혹은 읽기만 가능한 페이지인지를 나타낼 수 있다.
• 비트가 0일 때는 읽기만 가능하고, 1일 때는 읽고 쓰기가 모두 가능한 페이지이다.
• 3개의 비트로 조금 더 복잡하게 구현할 수도 있다. r(Read), w(Write), x(eXecute)로 읽기, 쓰기, 실행하기 권한의 조합을 나타낼 수도 있다.

참조 비트

• CPU가 이 페이지로 접근한 적이 있는지 여부를 나타낸다.
• 적재 이후 CPU가 읽거나 쓴 페이지는 참조 비트가 1이고, 그렇지 않다면 0으로 유지된다.

수정 비트(= 더티 비트)

• 해당 페이지에 데이터를 쓴 적이 있는지 없는지 수정 여부를 알려준다.
• 변경된 적이 있는 페이지면 1, 접근한 적이 없거나 읽기만 했던 페이지는 0이다.
• 메모리에서 사라질 때 보조기억장치에 쓰기 작업 여부를 판단하기 위해 존재한다.
• CPU가 한 번도 접근하지 않았거나 읽기만 한 페이지의 경우 보조기억장치에 저장된 해당 페이지의 내용과 메모리에 저장된 페이지 내용은 서로 같은 값을 가지고 있다. 하지만 쓰기 작업을 수행한 페이지의 경우 다른 값을 갖기 때문에 스왑 아웃될 경우 변경된 값을 보조기억장치에 기록해야 한다.

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페이징 이점

• 외부 단편화 문제 해결
• 프로세스 간에 페이지 공유 ex. 쓰기 시 복사

쓰기 시 복사

• 쓰기 시 복사에서는 부모 프로세스와 동일한 자식 프로세스가 생성되면 자식 프로세스는 부모 프로세스와 동일한 프레임을 가리킨다. 즉 부모 프로세스의 메모리 공간을 복사하지 않고도 동일한 코드 및 데이터 영역을 가리킬 수 있다.
• 프로세스 간에는 자원을 공유하지 않기 때문에 부모 프로세스 또는 자식 프로세스가 페이지에 쓰기 작업을 하면 그 순간 해당 페이지가 별도의 공간으로 복제된다. 각 프로세스는 자신의 고유한 페이지가 할당된 프레임을 가리킨다.
• 쓰기 시 복사를 통해 프로세스 생성 시간을 줄일 수 있고, 메모리 공간 절약이 가능하다.

p.418 참고

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계층적 페이징

• 프로세스를 이루는 모든 페이지 테이블 엔트리를 항상 메모리에 유지하지 않을 수 있는 방법이다.
• 페이지 테이블을 여러 개의 페이지로 쪼개고, 바깥쪽에 페이지 테이블(Outer 페이지 테이블)을 하나 더 두어 잘린 페이지 테이블의 페이지들을 가리키게 하는 방식이다.(= 다단계 페이지 테이블)
• 모든 페이지 테이블을 항상 메모리에 유지할 필요가 없기 때문에 막대한 크기의 페이지 테이블로 인해 낭비되는 공간을 줄일 수 있다.
• 다만, CPU와 가장 가까이에 위치한 Outer 페이지 테이블은 항상 메모리에 유지해야한다.
• CPU가 발생하는 논리 주소도 바깥 페이지 번호(바깥 페이지 테이블), 안쪽 페이지 번호(페이지 테이블의 페이지), 변위로 달라진다.
  1. 바깥 페이지 번호를 통해 페이지 테이블의 페이지 찾기
  2. 페이지 테이블의 페이지를 통해 프레임 번호를 찾고, 변위를 더함으로서 물리 주소 얻기