가상 메모리 관리를 위한 기법

도서 쉽게 배우는 운영체제와 강의 운영체제-반효경 를 보고 정리한 글입니다.

 

📌 가상 메모리란?

 

가상 메모리는 크기가 다른 물리 메모리에서 일관되게 프로세스를 실행할 수 있는 기술이다.

 

현대 메모리 관리의 가장 큰 특징은 물리 메모리의 크기와 프로세스가 올라갈 메모리의 위치를 신경쓰지 않고 프로그래밍 하도록 지원한다.

 

물리 메모리의 크기와 상관없이 프로세스에 커다란 메모리 공간을 제공하는 기술을 가상 메모리라고 한다.

 

❓ 이론적으로 가상 메모리는 무한대의 크기인데, 어떻게 가능한 것일까?

 

가상 메모리 시스템에서는 물리 메모리의 내용 중 일부를 하드디스크의 일부 공간인 스왑 영역으로 옮긴다.

 

스왑 영역은 메모리 관리자가 관리하는 하드디스크의 영역이다.

 

메모리에서 스왑 영역으로 보내는 것을 스왑 아웃이라 부르고

 

스왑 영역에서 다시 메모리로 가져 오는 것을 스왑 인이라 부른다.

 

∴ 따라서 가상 메모리의 크기 = 물리 메모리 + 스왑 영역 이다.

 

기본적으로 프로세스는 가상 주소를 할당받고, 필요할때만 물리 주소로 변환해서 물리 메모리에 올려서 사용한다는 개념이다.

 

MMU(Memory Management Unit)가 가상 메모리 주소를 물리 메모리 주소로 변환시켜 CPU가 접근할 수 있도록 해준다.

 

📌 페이징 기법

프로세스의 메모리가 고정 분할되어 물리 메모리에 분산되어 저장될 때, 사용하는 주소 변환 방법이다.

 

 

프로세스의 메모리를 페이지 단위로 나누고,

 

각 페이지 번호와 페이지의 물리 메모리 위치(프레임 번호)를 테이블에 저장해두는 방식이다.

 

예로, 프로세스의 어떤 페이지의 상대 주소를 접근해야할 때, 페이지에 해당하는 프레임으로 접근한 뒤 상대 주소로 접근하면 된다. 

 

이러한 페이지 테이블은 프로세스마다 하나씩 존재한다.

 

❓ 이러한 페이지 테이블은 어디에 저장되는 것일까?

 

 

💡 페이지 테이블은 메인 메모리의 운영체제 영역 일부분에 상주한다.

 

왜냐하면, 필요시 빨리 접근할 수 있어야 하기 때문이다.

 

따라서, 모든 메모리 접근 연산에는 페이지 테이블에 접근하고

 

페이지 테이블을 통해 실제 메모리에 접근하기 때문에 2번의 메모리 접근이 필요해진다.

 

위 그림 처럼, TLB 라는 페이지 테이블 정보를 캐싱하기 위한 하드웨어를 추가하면

 

메모리 접근을 1번으로 줄일 수 있다.

 

당연히, TLB에서 찾을 수 없는 경우는 페이지 테이블에 접근해야할 것이다.

 

 

📌 페이지 테이블 매핑 방식

 

페이지 테이블은 물리 메모리의 운영체제 영역에 존재한다고 했다.

 

하지만, 페이지 테이블의 크기가 생각보다 크고

 

프로세스가 많아질수록 전체 페이지 테이블의 용량도 늘어나기 때문에 모든 페이지 테이블을 보관하고 있을 수 없다.

 

따라서, 페이지 테이블을 스왑 영역에 보관하는 경우도 있다.

 

 

직접 매핑

 

 

직접 매핑은 페이지 테이블 전체가 물리 메모리의 운영체제 영역에 존재하는 방식이다.

 

부가 작업 없이, 바로 주소 변환이 가능해서 빠르다.

 

 

연관 매핑

 

 

연관 매핑은 페이지 테이블 전체가 스왑 영역에 존재하고 일부만 물리 메모리로 가져와서 사용하는 방식이다.

 

물리 메모리가 부족한 경우 사용하는 방식이다.

 

직접 매핑과 달리 페이지 테이블에 페이지 번호도 표시한다.

 

 

직접 매핑의 경우, 매핑된 프레임을 O(1) 의 속도로 찾을 수 있지만

 

연관 매핑의 경우, 일부만 올라온 페이지 테이블에서 O(N) 의 속도로 찾을 수 있다.

 

또한, 일부만 올라왔기 때문에 만약 찾으려는 페이지가 스왑영역에 있다면 시간을 더 낭비하게 된다.

 

 

집합 연관 매핑

 

 

모든 페이지 테이블을 스왑 영역에서 관리하고 일부만 물리 메모리로 가져온다는 점은 연관 매핑과 동일하다.

 

연관 매핑은 페이지 테이블의 일부를 무작위로 가져오지만,

 

집합 연관 매핑에서는 페이지 테이블을 일정한 집합으로 자르고 덩어리 단위로 가져온다.

 

디렉터리 테이블이라는것이 존재하는데, 이 테이블은 특정 단위로 나눈 페이지 덩어리의 위치를 저장한다.

 

따라서, 원하는 페이지가 어떤 덩어리에 있는지 디렉터리 테이블을 통해 알 수 있기 때문에 

 

연관 매핑 방식 보다는 빠르게 찾을 수 있다

 

 

역 매핑

 

 

역 매핑 방식은 물리 메모리의 프레임 번호를 기준으로 테이블을 작성한다.

 

따라서, 테이블의 행수는 프레임의 수와 같다.

 

주소 변환이 필요한 프로세스의 아이디와 페이지 번호가 역 매핑 테이블에 있는지 전부 다 확인하고

 

없으면 스왑 영역을 접근해야한다는 점에서 연관 매핑과 동일한 단점이 존재한다.