가상메모리

가상메모리

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• 다중 프로그래밍을 실현하기 위해서는 많은 프로세스들을 동시에 메모리에 올려두어야 한다.
• 가상 메모리는 프로세스 전체가 메모리 내에 올라오지 않더라도 실행이 가능하도록 하는 기법이며, 프로그램이 물리 메모리보다 커도 된다는 주요 장점이 있다.

 

가상 메모리 개발 배경

 

실행되는 코드의 전부를 물리 메모리에 존재시켜야 했고, 메모리 용량보다 큰 프로그램은 실행이 되지 않는다. 또한 여러 프로그램을 동시에 메모리에 올리기에는 용량의 한계와, 페이지 교체등의 성능 이슈가 발생하게 된다. 또한 가끔만 사용되는 코드가 차지하는 메모리들을 확인할 수 있다는 점에서, 불필요하게 전체의 프로그램이 메모리에 올라와 있어야 하는게 아니라는 것을 알 수 있다.

 

 

※ 프로그램의 일부분만 메모리에 올릴 수 있다면

• 메모리( 한정적 자원) 크기에 제약을 받지 않는다.
• 더 많은 프로그램을 동시에 실행 할 수 있게 된다. 이에 따라 응답시간은 유지되며 CPU이용률과 처리율은 높아지게 된다.
• SWAP에 필요한 입출력이 줄어들기 때문에 프로그램들이 빠르게 실행된다.
  • SWAP
    • 주 기억장치(RAM)으로 불러오는 과정은 Swap-in, 보조 기억장치로 보내버리는 과정을 Swap-out이라고 한다.
    • Swap-out은 디스크에 전송하는 시간이 오래걸린다.
    • 메모리 공간이 부족할 때 Swapping이 시작된다.

 

가상메모리의 기능

 

• 가상 메모리는 실제 메모리 개념과 사용자의 논리 메모리 개념을 분리한 것이다.
• 그러므로, 작은 메모리를 가지고도 얼마든지 큰 가상 주소 공간을 프로그래머에게 제공할 수 있다.

가상 주소 공간

• 한 프로세스가 메모리에 저장되는 논리적인 모습을 가상메모리에 구현한 공간이다.
• 프로세스가 요구하는 메모리 공간을 가상메모리에서 제공함으로서 현재 직접적으로 필요치 않은 메모리 공간은 실제 메모리에 올리지 않는 것으로 물리 메모리를 절약할 수 있다.
  • ex) 한 프로그램이 실행되며 논리 메모리로 100KB가 요구되었다면, 실행까지에 필요한 메모리 공간(Heap,Stack,Code,Data)의 합이 40KB라면, 실제 물리 메모리에는 40KB만 올라가 있고, 나머지 60KB만큼은 필요시에 물리메모리에 요구하게 된다.
  • 메모리 공간 표현

Stack

Free(60KB)

Heap

Data

Code

 

프로세스 간 페이지 공유

 

• 시스템 라이브러리가 여러 프로세스들 사이에 공유 될 수 있도록 한다.
• 각 프로세스들은 공유 라이브러리를 자신의 가상 주소 공간에 두고 사용하는 것처럼 보인다.
• 하지만 라이브러리가 올라가 있는 물리 메모리 페이지들은 모든 프로세스에 공유되고 있다.

 

• 프로세스들이 메모리를 공유하는 것을 가능하게 하고, 프로세스들은 공유 메모리를 통해 통신할 수 있다.
• 또한 각 프로세스들은 각자 자신의 주소 공간처럼 인식하지만, 실제 물리 메모리는 공유되고 있다.
• fork()를 통한 프로세스 생성 과정에서 페이지들이 공유되는 것을 가능하게 한다.

 

Demanding Pageing(요구 페이징)

 

• 프로그램 실행 시작 시 프로그램 전체를 디스크에서 물리 메모리에 적재하는 대신, 초기에 필요한 것들만 적재하는 전략이다.
• 가상 메모리 시스템에서 많이 사용.
• 가상 메모리는 대게 페이지로 관리 된다.
• 요구 페이징을 사용하는 가상 메모리에서는 실행과정에서 필요해질 때 페이지들이 적재된다.
• 한 번도 접근되지 않은 페이지는 물리 메모리에 적재되지 않는다.
• 프로세스 내의 개별 페이지들은 페이저(pager)에 의해 관리 된다.
• Pager는 프로세스 실행에 실제 필요한 페이지들만 메모리로 읽어 옮으로서, 사용되지 않을 페이지를 가져오는 시간낭비와 메모리 낭비를 줄일 수 있다.

 

페이지 교체

• 요구 페이징에서 업근한 대로 프로그램 실행시에 모든 항목이 물리 메모리에 올라오지 않기 때문에, 프로세스의 동작에 필요한 페이지를 요청하는 과정에서 page fault가 발생하게 되면, 원하는 페이지를 보조 저장 장치에서 가져오게 된다.
• 하지만, 만약 물리 메모리가 모두 사용중인 상황이라면 페이지 교체가 이루어져야 한다(또는 운영체제가 프로세스를 강제 종료하는 방법이 있다.)
• 기본적인 방법
  • 디스크에서 필요한 페이지의 위치를 찾는다.
  • 빈 페이지 프레임을 찾는다.
    • 페이지 교체 알고리즘을 통해 희생될(Victim)페이지를 선택한다.
    • 희생될 페이지를 디스크에 기록하고, 관련 페이지 테이블을 수정한다.
  • 새롭게 비워진 페이지 테이블 내 프레임에 새 페이지를 읽어오고, 프레임 테이블을 수정한다.
  • 사용자 프로세스를 재시작한다.

 

페이지 교체 알고리즘

• FIFO (First In First Out) 페이지 교체
  • 먼저 물리 메모리에 들어온 페이지 순서대로 페이지 교체 시점에 나가게 된다.
  • 장점
    • 이해가 쉽고 프로그래밍에 옮기기에도 쉽다.
  • 단점
    • 오래된 페이지가 항상 불필요한 정보를 가지고 있는 것이 아닐 수 있다.
    • 처음부터 활발하게 사용되는 페이지를 교체해서 Page Fault가 자주 발생할 수 있다.
    • Belady모순: 페이지를 저장할 수 있는 페이지 프레임의 갯수를 늘려도 오히려 페이지 부재가 더 많이 발생하는 모순이 존재한다.
• 최적 페이지 교체( Optimal Page Replacement)
  • Belady 모순을 확인한 후 , 모든 알고리즘보다 낮은 페이지 부재율을 보인다.
  • 앞으로 가장 오랫동안 사용되지 않을 페이지를 찾아 교체하는 것이다.
  • 장점
    • 알고리즘 중 가장 낮은 페이지 부재율을 보장.
  • 단점
    • 구현의 어려움이 있다.
    • 모든 프로세스의 메모리 참조 계획을 미리 파악할 방법이 없기 때문이다.
• LRU (Least Recently Used)
  • 근사 알고리즘으로 , 가장 오랫동안 사용되지 않은 페이지를 선택하여 교체한다.
    • FIFO교체 보다 우수하고 OPT보다는 우수하지 못하다.

 

• LFU (Least Frequently Used)
  • 참조 횟수가 가장 적은 페이지를 교체하는 방법이다.
  • 활발하게 사용되는 페이지 참조 횟수가 많아질 거라는 가정에서 만들어진 알고리즘이다.
  • 특징
    • 어떤 프로세스가 특정 페이지를 사용한다가 다른 페이지를 사용하게 되면 더 이상 사용하지 않아도 계속 메모리에 머물게 되어 초기에 부재율을 높일 수 있게 된다.
    • 최적(OPT) 페이지 교체를 제대로 근사하지 못하기 때문에 잘 쓰이지 않는다.
• MFU (Most Frequently Used)
  • 참조 횟수가 가장 작은 페이지가 최근에 메모리에 올라왔고, 앞으로 계속 사용될 것이라는 가정에 기반.
    • 특징
      • 최적(OPT) 교체를 제대로 근사하지 못하므로 자주 쓰이지 않는다.