가상메모리

가상 메모리

‘가상 메모리(virtual memory,VM)’ 는
메모리 관리 기술 의 일부로,
메인 메모리 (RAM) 과 보조 기억 장치(HDD,SSD) 의 조합으로 이루어진다
‘가상 메모리 주소 공간’의 개념을 이야기 하는 표현으로도 사용된다

• 가상 메모리 주소 공간
  code, data, bss, stack, heap 등의 영역이 존재하며
  프로세스 마다 주어지는 가상의 공간이다
  이는 마치 연결되어 있는 것처럼 보인다
  => 다만 실제로는 ‘메인 메모리’에 분리되어 위치할 수도 있고,
  (페이징 기법)
  ‘메인 메모리’가 부족한 경우는 ‘보조 기억 장치’에 저장될 수 있음
  

  이러한 영역의 주소는 ‘가상 주소’라 표현한다
  이와 반대되는 ‘물리 주소(실제 주소)’는
  ‘메인 메모리’의 주소이다
  

  => 물리 주소는 메인 메모리를 가리키는 주소이며
  가상 주소는 ‘가상 메모리 주소 공간’에서 사용되는 주소이다
  이러한 두 요소를 매핑하여 실제 데이터 위치에 접근한다
  

  프로세스가 시작되면,
  code,data 영역은 메인 메모리로 로드되며
  bss 영역은 프로세스 시작 시, 동적 할당이 되고
  스택은 프로시저 호출 시, 스택 프레임이 생성되고 동적 할당이 된다
  힙은 동적 메모리 할당을 위해 동적으로 할당되고 해제된다
  

  다만 메인 메모리가 부족한 경우,
  보조 저장 장치에 데이터를 저장한다
  

  • 참고할만한 내용
    

    메인 메모리(RAM)은 가능한 모두 사용하려고 한다
    (성능 상의 이유)
    아주 적은 수의 프로세스가 동작 중일때,
    이들이 모든 메인 메모리를 활용할 수 있느냐는 약간 얘기가 다르다
    몇 가지 제약이 있는데
    

    1. 가상 메모리 크기 제한
       

       각 프로세스는 가상 메모리 주소 공간을 가지지만,
       이 가상 메모리 공간을 모두 메모리에 올릴 수는 없음
       각 프로세스에는 제한된 양의 메인 메모리가 할당되며,
       이러한 양은 운영체제나 시스템 설정에 따라 다르다
       

    2. 다중 프로세스 관리
       

       다중 프로세스가 실행되는 환경이라면 여러 프로세스 간의 경쟁이 발생 가능
       메인 메모리를 효과적으로 사용하기 위하여,
       운영체제는 스케쥴링을 하며, 각 프로세스에 일정 시간마다
       CPU를 할당하고 전환한다
       

    3. Page fault, Swapping
       

       다른 프로세스가 실행되어야 하는데 메인 메모리에 공간이 부족하다면
       페이지 폴트가 발생하고, 해당 페이지를 디스크에서 가져온다
       이 때, swapping이 발생하여, 메인 메모리의 데이터가 디스크로 이동 가능하다
       (메인 메모리가 모두 사용중이더라도, 새로운 프로세스가 실행되면
       OS가 스와핑을 진행하고, 새로운 영역에 Page Table을 생성한다
       이후 필요 페이지를 로드하려 하면, Page fault 발생하여
       새로운 페이지들로 교체된다)

페이지

페이지는 일정한 크기로 나뉘는 ‘데이터 블록’을 표현한다

• 페이지 관련 용어
  가상 페이지 : 프로세스가 사용하는 가상 메모리 공간에서
  페이지 번호로 식별되는 페이지
  
  물리 페이지 : 실제 메인 메모리에 위치한 페이지
  가상 페이지와 매핑된다
  
  페이지 테이블 : 가상 주소와 물리 주소 간의
  매핑 정보를 저장하는 데이터 구조
  페이지 테이블은 프로세스의 가상 페이지와
  실제 메인 메모리의 물리 페이지 간의 매핑을 관리
  
  페이지 오류 : CPU가 가상 페이지를 요청했으나
  해당하는 페이지가 메인 메모리에 없는 경우
  발생하는 예외 상황이다
  페이지 오류는 페이지 테이블을 통해
  디스크에서 필요한 데이터를 가져와
  메모리에 로드하는 동안 처리
  (페이지 테이블이 비어 있는 경우
  즉, 가상 페이지가 매핑되어 있는 페이지가 비어 있는 경우
  : 정확히는 해당 내용이 보조 기억 장치에 있는 경우이다)
  
  스왑(swapping) : 페이지 오류가 발생하면
  필요한 데이터를 디스크에서 메모리로 이동시키는 프로세스
  해당 작업은 OS가 담당하고,
  메인 메모리의 ‘희생자 페이지’로 선정된
  (이 방식은 페이지 선택 알고리즘에 의존)
  희생자 페이지를 disk에 보내고
  해당 위치에 필요한 페이지를 로드한다
  
  

  스왑 공간 : 디스크 상의 특정 영역을 가리키는 용어
  ‘희생자 페이지’의 데이터를 저장하는 공간이다
  
  

  스왑 인 : 디스크에서 메모리를 복사하는 작업
  페이지 오류 시, 필요한 데이터를 디스크에서 메모리로 스왑
  
  

  스왑 아웃 : 메모리에서 디스크로 데이터를 복사하는 작업
  
  

  Page Table Entry(PTE):
  페이지 테이블의 각 항목
  매핑 정보를 저장한다
  유효 비트 (메인 메모리 존재 여부)
  물리 페이지 번호(유효하다면, 메인 메모리의 어디에 존재하는 지 표시)
  변경 비트(dirty bit, 메인 메모리에서 수정되었는지 표시)
  참조 비트(메인 메모리에서 참조되었는지 체크,
  오랫동안 참조되지 않은 경우 등 페이지 교체 알고리즘에서 사용)
  보호 비트(접근 권한 제어)
  등을 포함
  

• 페이지의 상태
  

  • Cached
    현재 메인 메모리에 로드되어 있으며, CPU 또는 프로세스가 이 페이지에 접근할 때,
    메인 메모리에서 데이터를 가져오지 않고 직접 액세스할 수 있는 페이지
    

  • UnCached
    메인 메모리에 할당된 페이지나,
    이전에 CPU나 프로세스가 접근하지 않았거나 가장 최근에 접근이 끝난 페이지
    

    요청시 cached 페이지 상태로 변경
    

  • UnAllocated
    현재 메인 메모리에 로드되지 않은 페이지
    필요 시, 메인 메모리에 로드된다
    

• 페이징
  메인 메모리를 일정한 크기의 블록(페이지)으로 나누는 기법
  

  이렇게 나눈 데이터는 ‘연속되지 않게’ 저장될 수 있다
  

  ‘일정한 크기’로 데이터를 할당하며
  연속되지 않은 블록도 ‘가상 메모리 주소’를 통해 할당 가능하기에
  외부 단편화 문제를 해결하는데 효과적이다
  

  (페이지의 크기를 작게 하는 경우
  내부 단편화를 완화할 수 있지만
  페이지 테이블 관리에 오버헤드가 발생할 수 있기에 성능이 저하될 수 있음)

• 단편화
  

  • 외부 단편화
    

    메모리 내의 여유 공간이 작은 조각들로 나뉘어 있는 상태
    총 여유 메모리 공간은 충분하나,
    한번에 할당한 양은 부족하여
    메모리 공간을 낭비하는 상황
    

  • 내부 단편화
    

    할당된 메모리 공간이 실제로
    사용 중인 데이터 보다 큰 상태
    사용되지 않는 할당 메모리 공간이 있어
    낭비되고 있는 상황
    

  • 단편화의 해결 방법
    

    압축 : 메모리 공간을 재배치하여, 분산되어 있는 공간을 하나로 합치는 방식
    

    (ex : 디스트 조각 모음)
    

    통합(coalescing) : 단편화로 인해 분산된 메모리를
    

    인접한 것들끼리 통합하여 큰 메모리 공간으로 합친다
    

    (재배치 하지는 않는다)
    

    페이징 : 위에서 설명
    

    세그먼테이션(Segmentation)
    

    가상 메모리 방식, 내부 단편화 해결, 외부 단편화 존재
    페이징과는 다른 논리적 단위 사용,
    다만 ‘세그먼트’ 각 프로세스마다 다르기에
    미리 분할할 수는 없으며, 빈 공간을 찾아 반환
    (매핑을 위해 세그먼트 테이블 필요)
    (프로세스가 필요한 메모리만큼 할당해주기에,
    내부 단편화는 일어나지 않으나, 각 프로세스마다
    공통된 단위가 없기에 외부 단편화는 일어날 수 있음)
    (가상 메모리를 이용하는 방식은 페이징 기법과 비슷)