[운영체제] 메모리 관리 전략, 가상 메모리

📍 이 글은 CS 스터디를 진행하며 개인적으로 공부한 내용을 정리한 글입니다.
틀린 부분이 있다면 댓글로 알려주세요. 감사합니다.🙇‍♀️🌟

 

과거에는 하나의 프로그램을 실행하려면, 그 전체 코드와 데이터가 물리 메모리(RAM)에 모두 적재되어 있어야만 했다.

이로 인해 물리 메모리보다 큰 프로그램은 실행 자체가 불가능했고, 동시에 여러 프로그램을 실행하는 멀티태스킹 환경에서는 메모리 부족으로 인한 성능 저하, 잦은 페이지 교체 등의 문제가 자주 발생했다.

이러한 제약을 극복하고, 메모리를 더 효율적이고 유연하게 사용하기 위해 가상 메모리(Virtual Memory) 개념이 도입되었다.

 

💡 가상 메모리란 ?

가상 메모리는 운영체제가 프로그램 실행 시 필요한 일부만 메모리에 적재함으로써, 실제 물리 메모리보다 큰 프로그램도 실행 가능하게 만드는 메모리 관리 기법이다.

 

이러한 메모리 관리 기법은 왜 필요할까 ? 🤔

 

새로운 프로세스가 메모리에 적재되면, 기존의 프로세스는 교체되거나 삭제될 수도 있다. 메모리 상의 정보는 계속해서 실시간으로 바뀌고 어떤 데이터가 메모리에 올라와 있는지도 수시로 달라진다.

 

그렇다면, CPU는 실시간으로 바뀌는 메모리 정보와 프로세스 주소를 어떻게 인식하고 관리할까 ? 🤔

 

🎈 논리 주소와 물리 주소

CPU는 프로그램을 실행할 때, 메모리의 실제 위치를 정확하게 알고 있을까 ? 🤔

사실 그렇지 않다.

 

운영체제는 프로세스가 생성될 때마다 해당 프로그램을 어느 위치의 메모리에 적재할지 동적으로 결정한다.

• 어떤 프로그램은 실행될 때마다 다른 메모리 위치에 올라가며,
• 실행이 끝난 프로그램은 메모리에서 제거되고,
• 새로운 프로그램은 그 빈 공간에 다시 적재된다.

즉, 실행 시점마다 프로그램이 메모리에 적재되는 위치는 달라지기 때문에, CPU가 항상 메모리의 실제 주소를 알 수는 없다.

 

👉 이러한 문제를 해결하기 위해 도입된 개념이 바로 논리 주소(Logical Address)와 물리 주소(Physical Address)이다.

 

🧩 논리 주소(Logical Address)

• CPU와 프로세스 입장에서 바라보는 주소
• 각 프로세스는 0번지부터 시작하는 독립된 주소 공간을 가지며, 이를 통해 실행된다.
• 즉, 프로그램이 생각하는 주소라고 할 수 있다.
• 여러 프로세스가 동시에 실행되더라도, 각자 동일한 논리 주소(예: 0x0000)를 사용할 수 있다.

🧩 물리 주소(Physical Address)

• 실제 메모리(RAM) 상의 주소
• 메모리 하드웨어가 바라보는 관점의 주소
• 같은 논리 주소라도, 실제 메모리에 저장될 때는 서로 다른 물리 주소에 매핑된다.

 

왜 논리 주소와 물리 주소가 분리되어야 할까 ? 🤔

 

논리 주소 체계를 사용함으로써 다음과 같은 이점이 생긴다.

• 각 프로세스는 독립적인 주소 공간을 가지게 되어, 충돌 없이 안전하게 실행될 수 있다.
• 운영체제는 물리 메모리를 유연하게 할당하고 회수할 수 있다.
• 멀티태스킹 환경에서도 각 프로그램이 자기만의 메모리를 사용하는 것처럼 작동해, 안정성과 효율성이 향상된다.

 

논리 주소 → 물리 주소 변환은 누가 할까? 🤔

 

CPU는 오직 논리 주소만 사용하지만, 실제 메모리(RAM)는 물리 주소만 이해한다.

따라서 둘 사이에는 주소 변환이 필요하며, 이 역할을 수행하는 것이 바로 MMU(Memory Management Unit, 메모리 관리 장치)이다.

 

🧩 MMU(Memory Management Unit)의 역할

• MMU는 CPU와 메모리 사이에 위치한 하드웨어 장치로, CPU가 생성한 논리 주소를 실제 메모리의 물리 주소로 변환하는 역할을 수행한다.
• 이 덕분에 CPU는 논리 주소만 사용하여 프로그램을 실행하고, MMU는 이를 실시간으로 자동 변환하여 메모리에 접근하게 해준다.
• 또한, 이러한 변환 과정을 하드웨어 수준에서 자동 처리하므로, 개발자는 복잡한 물리 주소를 신경 쓰지 않고도 프로그램을 작성할 수 있다.
  

MMU 작동 방식

 

🎈 스와핑(Swapping)

운영체제는 메모리 자원을 효율적으로 사용하기 위해, 현재 실행되지 않는 프로세스를 보조기억장치의 일부인 스왑 영역(swap space)으로 임시 이동시킬 수 있다. 이처럼, 메모리에서 사용하지 않는 프로세스를 내보내고, 그 공간에 다른 프로세스를 적재하여 실행하는 메모리 관리 기법을 스와핑(Swapping)이라고 한다.

• 스왑 아웃 (Swap Out): 사용되지 않는 프로세스를 메모리 → 스왑 영역으로 이동
• 스왑 인 (Swap In): 스왑 영역에 있던 프로세스를 다시 메모리로 이동

스왑 아웃되었던 프로세스는 다시 메모리로 적재될 때, 이전과는 다른 물리 주소로 올라갈 수 있다.

이는 메모리 공간이 동적으로 변하고, 스와핑 대상이 언제든 바뀔 수 있기 때문이다.

 

스와핑을 통해 운영체제는 제한된 메모리 공간을 더 효율적으로 활용할 수 있지만, 디스크 I/O는 매우 느리기 때문에 스왑이 과도하게 일어나면 시스템 성능에 심각한 영향을 미칠 수 있다.

 

🎈 스레싱(Thrashing)

스레싱은 스와핑이 과도하게 발생하면서, 실제 작업보다 페이지 교체에 더 많은 시간을 소모하는 비정상적인 시스템 상태를 말한다.

 

언제 스레싱이 발생할까 ? 🤔

• 동시에 너무 많은 프로세스를 실행할 때
• 각 프로세스가 충분한 메모리를 할당받지 못해 페이지 폴트가 자주 발생할 때
• CPU가 한가하다고 오해한 운영체제가 더 많은 프로세스를 메모리에 올릴 때

 

🌀 스레싱의 악순환

1. 프로세스가 메모리를 충분히 확보하지 못해 페이지 폴트가 자주 발생
2. CPU는 실제 작업보다 계속해서 페이지 교체(스와핑)에 시간을 소모
3. CPU 이용률이 점점 떨어짐
4. 운영체제는 이를 보고 "CPU가 여유 있나 보다" 오해하고, 더 많은 프로세스를 메모리에 적재
5. 그 결과
   • 페이지 폴트 증가
   • 스와핑 증가
   • CPU 자원 낭비
6. 결국 시스템은 심각하게 느려지며 스레싱 상태에 빠짐

 

🎈 연속 메모리 할당(Contiguous Memory Allocation)

연속 메모리 할당은 프로세스들이 물리 메모리 내에서 연속적인 공간에 할당되는 방식이다.

즉, 각 프로세스는 하나의 고정된 연속 블록으로 메모리에 적재되어야 한다.

👉 프로세스 A는 A의 크기만큼 메모리에 먼저 할당되고, 그 다음 프로세스 B는 A 다음 위치에, 프로세스 C는 B 다음 위치에 할당되는 식이다.

 

언뜻 보기에는 당연하고 보편적인 방식이라고 느낄 수 있지만, 연속 메모리 할당은 메모리를 효율적을 사용하는 방법은 아니다.

실행 중 프로세스가 종료되거나 스왑 아웃되면, 해당 메모리 공간이 비게 되어 외부 단편화(External Fragmentation)가 발생할 수 있다.

위 그림과 같은 상황이 있다고 가정해 보자.

현재 이 메모리에 새로운 프로세스가 적재될 수 있는 빈 공간은 총 50MB이다. 그러나 크기가 50MB인 프로세스를 적재하는 것은 불가능하다. 메모리에 남아있는 공간이 각각 30MB와 20MB이기 때문이다.

이처럼 프로세스들이 메모리에 연속적으로 할당되는 환경에서는 프로세스의 실행과 종료를 반복하며 사이사이에 빈 공간이 생긴다. 프로세스 바깥에 생기는 빈 공간들은 분명 빈 공간이 맞지만 그보다 더 큰 프로세스를 적재하기 어려운 상황을 초래하고, 이는 메모리 낭비로 이어진다. 이러한 현상을 외부 단편화(External Fragmentation)라고 한다.

 

이러한 비어 있는 메모리 조각들 중 어디에 새 프로세스를 할당할지 결정하는 방식은 여러가지가 있다.

 

🧩 연속 메모리 할당 방식

프로세스를 메모리의 빈 공간에 배치할 때 사용할 수 있는 대표적인 3가지 방식은 다음과 같다.

 

◽최초 적합(First-fit)

메모리의 빈 공간을 처음부터 순차적으로 검색하여, 처음 발견한 충분한 크기의 공간에 프로세스를 배치한다.

 

✅ 장점

• 검색이 간단하고 속도가 빠르다.
• 구현이 쉽다.

⚠️ 단점

• 시간이 지날수록 앞부분에 작은 단편화(fragmentation)가 많이 발생할 수 있다.

 

◽최적 적합(Best-fit)

모든 빈 공간을 검사한 후, 프로세스가 들어갈 수 있는 공간 중 가장 작은 공간에 배치한다.

 

✅ 장점

• 내부 단편화를 최소화할 수 있다. (남는 공간이 적음)

⚠️ 단점

• 검색 시간이 오래 걸릴 수 있다.
• 작은 공간이 많이 남아 외부 단편화가 심해질 수 있다.

 

◽최악 적합(Worst-fit)

모든 빈 공간을 검사한 후, 프로세스가 들어갈 수 있는 공간 중 가장 큰 공간에 배치한다.

 

✅ 장점

• 큰 공간을 나누어 사용하므로, 이후 큰 프로세스의 배치 가능성을 높인다.

⚠️ 단점

• 내부 단편화가 커질 수 있다.
• 전체적인 메모리 활용 효율이 낮을 수 있다.

 

🌀 연속 메모리 할당의 한계

연속 메모리 할당 방식은 프로세스가 물리 메모리 내에서 연속적인 공간에 배치되어야 한다는 제약이 있다.

이 방식은 구조가 단순하고 접근 속도가 빠르다는 장점이 있지만, 다음과 같은 한계가 존재한다:

• 메모리에 연속된 충분한 공간이 없으면 프로세스를 할당할 수 없다.
• 여러 프로세스가 생성되고 종료되면 외부 단편화가 심화된다.
• 전체 프로그램이 한꺼번에 메모리에 적재되어야 하기 때문에 물리 메모리 용량의 제약을 받는다.

이러한 연속 메모리 할당 방식의 단점을 보완하기 위해, 운영체제는 가상 메모리(Virtual Memory)라는 메모리 관리 기법을 사용한다.

 

🎈 가상 메모리(Virtual Memory)

가상 메모리는 운영체제가 각 프로세스에 실제 물리 주소가 아닌 가상 주소를 부여함으로써, 프로세스가 독립적이고 넉넉한 메모리 공간을 가진 것처럼 동작할 수 있도록 하는 기법이다.

즉, 프로세스는 자신만의 연속적인 주소 공간을 사용하는 것처럼 보이지만, 실제로는 운영체제가 이를 비연속적인 물리 메모리에 적절히 매핑해준다.

 

🧩 가상 메모리의 장단점

✅ 장점

• 더 큰 프로그램도 실행 가능
  • 물리 메모리보다 큰 프로그램도 실행할 수 있어 메모리 제약이 줄어든다.
• 멀티태스킹 효율 향상
  • 여러 프로그램을 동시에 실행해도 CPU와 시스템 자원을 효과적으로 활용할 수 있다.
• 메모리 사용 효율 개선
  
  • 실제 필요한 부분만 메모리에 올려 스와핑을 줄이고 실행 속도를 높인다.
• 보안성과 안정성 확보
  • 프로세스마다 독립적인 주소 공간을 제공해 서로 간의 침범을 방지한다.

 

⚠️ 단점

• 페이지 폴트로 인한 성능 저하
  • 필요한 페이지가 메모리에 없을 경우 디스크에서 불러오는 데 시간이 걸려 실행 속도가 느려질 수 있다.
• 복잡한 시스템 구조
  • 페이지 테이블, TLB, MMU 등 추가적인 하드웨어와 관리 로직이 필요하다.
• 디스크 공간 소모 및 I/O 병목
  • 스와핑을 위해 디스크 공간을 사용하고, 잦은 접근은 I/O 병목을 유발할 수 있다.
• 실시간 처리에 부적합
  • 페이지 폴트 발생 시점을 예측하기 어려워, 지연에 민감한 시스템에는 적합하지 않다.

 

🧩 가상 메모리의 작동 방식

가상 메모리는 프로세스가 사용하는 논리적 주소(가상 주소)를 실제 물리 주소로 변환하는 주소 변환(Address Translation) 과정을 통해 동작한다.

운영체제는 가상 메모리 공간을 일정한 크기의 블록인 페이지(Page) 단위로 분할하고, 물리 메모리(RAM)도 동일한 크기의 프레임(Frame) 단위로 분할한다. 이러한 구조는 페이지 단위의 메모리 관리를 가능하게 하며, 비연속적인 공간에서도 연속적인 주소 공간처럼 동작할 수 있게 해준다.

각 프로세스는 자신만의 페이지 테이블(Page Table)을 가지고 있으며, 이 테이블에는 가상 페이지 번호와 실제 메모리 프레임 번호 간의 매핑 정보가 저장된다. 프로세스가 가상 주소에 접근하면, MMU(Memory Management Unit)가 페이지 테이블을 참조하여
해당 가상 페이지가 어느 프레임에 적재되어 있는지를 확인하고, 이를 바탕으로 가상 주소를 물리 주소로 변환한다.

이러한 과정을 통해 프로세스는 물리 메모리의 구조를 몰라도, 자신에게 연속적인 메모리 공간이 존재하는 것처럼 프로그램을 실행할 수 있게 된다.

 

🎈 페이징(Paging)

페이징은 가상 메모리를 고정된 크기의 블록 단위로 나누어 관리하는 메모리 관리 기법이다.

운영체제는 프로그램의 가상 주소 공간을 일정한 크기의 페이지(Page)로 나누고, 물리 메모리(RAM)도 동일한 크기의 프레임(Frame) 단위로 나눈다. 이때, 프로세스를 구성하는 페이지는 물리 메모리 내에 불연속적으로 배치될 수 있다는 점에 유의해야 한다.

이와 같이 메모리를 할당하면 외부 단편화가 발생하지 않는다. 페이지라는 일정한 크기로 잘린 프로세스들을 메모리에 불연속적으로 할당할 수 있다면, 연속 메모리 할당처럼 프로세스 바깥에 빈 공간이 생길 수 없기 때문이다.

 

페이징 기법에서도 스와핑이 사용될 수 있다. 페이징을 사용하는 시스템에서는 프로세스 전체가 스왑 아웃/스왑 인 되는 것이 아니라 페이지 단위로 스왑 아웃/스왑 인 된다. 페이징 시스템에서 스왑 아웃은 페이징 아웃(page out), 스왑 인은 페이지 인(page in)이라고 부른다.

페이지 단위로 스왑 아웃/스왑 인 된다는 것은 프로세스의 일부는 메모리에 적재되고, 일부는 보조기억장치에 적재되었다는 것을 의미한다. 이를 달리 말하면 프로세스를 실행하기 위해 전체 프로세스가 메모리에 적재될 필요는 없다는 것이다.

CPU 입장에서 바라본 논리 메모리의 크기가 실제 메모리보다 클 수 있으며, 페이징을 통해 물리 메모리보다 큰 크기의 프로세스 실행도 가능해진 것이다.

 

📘 페이지 테이블(Page Table)

각 프로세스는 고유의 페이지 테이블을 가지며, 이는 가상 페이지 번호와 해당 페이지가 매핑된 물리 프레임 번호 정보를 담고 있다.

CPU가 가상 주소에 접근할 때, 페이지 테이블을 통해 해당 주소가 어느 프레임에 매핑되어 있는지를 확인하고, 그에 따라 물리 주소로 변환한다.

 

🧩 단편화(Fragmentation)

◽내부 단편화(Internal Fragmentation)

• 페이지 내에서 사용되지 않는 남은 공간을 의미한다.
• 예를 들어 4KB 페이지에 3.6KB만 사용된다면, 남은 0.4KB가 내부 단편화이다.

 

◽외부 단편화(External Fragmentation)

• 사용 가능한 전체 메모리 양은 충분하지만 연속된 메모리 공간이 부족해 메모리를 할당하지 못하는 상황을 말한다.

 

📘 압축(compaction)

압축은 외부 단편화를 해결하기 위한 기법으로, 메모리 내에 흩어진 빈 공간을 하나의 큰 연속된 공간으로 만드는 방법이다.

운영체제는 메모리에 존재하는 프로세스들을 재배치(relocation) 하여, 중간중간 생긴 빈 공간을 제거하고 하나의 큰 연속된 빈 공간으로 통합한다. 이를 통해, 이후에 큰 프로세스를 위한 연속된 공간을 확보할 수 있게 된다.

 

✅ 장점

• 외부 단편화를 줄여, 더 큰 프로세스를 메모리에 적재할 수 있다.
• 연속 메모리 할당 방식에서 중요한 제약인 "연속된 공간 부족" 문제를 완화할 수 있다.

⚠️ 단점

• 재배치 과정에서 시스템의 일시 정지가 필요할 수 있으며, 이로 인해 실행 중인 프로세스가 중단될 수 있다.
• 프로세스의 메모리 내용을 복사하거나 이동하는 데 많은 CPU 시간과 오버헤드가 발생할 수 있다.

 

👉 페이징 기법은 내부 단편화는 발생할 수 있지만, 메모리를 고정 크기로 분할하고 연속된 공간이 필요 없기 때문에 외부 단편화는 발생하지 않는다.

 

🎈 세그먼테이션(Segmentation)

세그먼테이션은 가상 메모리를 크기가 서로 다른 논리적 단위인 세그먼트(Segment)로 분할하는 메모리 관리 기법이다.
이는 페이징과는 달리, 고정된 크기의 페이지가 아닌 의미 기반의 논리적 블록을 단위로 사용한다.

즉, 하나의 프로세스를 코드(Code), 데이터(Data), 스택(Stack) 등과 같이 논리적으로 구분되는 단위로 나누고, 각 세그먼트를 독립적으로 메모리에 적재한다.

 

한 세그먼트는 코드 영역(의 일부)일 수도 있고, 데이터 영역(의 일부)일 수도 있다.

이 기법은 세그먼트 테이블(Segment Table)을 사용해 세그먼트의 논리 주소를 물리 주소로 매핑한다.

 

🧩 세그먼트 특징

• 세그먼트는 크기가 서로 다를 수 있으며, 프로그램 내에서 의미상 독립적인 구성 요소를 기준으로 분할된다.
• 예: 함수, 배열, 전역변수, 스택 등은 각각 별개의 세그먼트로 나뉘어질 수 있다.
• 이러한 구조는 프로그래머의 관점에 더 가까운 메모리 모델을 제공한다.

 

🧩 세그먼트 테이블

• 세그먼테이션에서도 주소 변환을 위해 세그먼트 테이블(Segment Table)을 사용한다.
• 가상 주소는 <세그먼트 번호, 오프셋(offset)>의 형태로 표현된다.
• 세그먼트 테이블에는 각 세그먼트의
  • 기준(base): 세그먼트의 시작 물리 주소
  • 한계(limit): 세그먼트의 크기가 저장되어 있다.

 

🔄 주소 변환 과정

1. CPU가 <세그먼트 번호, 오프셋> 형태의 주소를 생성한다.
2. MMU가 세그먼트 번호를 통해 기준(base) 주소를 조회한다.
3. 오프셋을 기준 주소에 더해 최종 물리 주소 계산한다.
4. 오프셋이 세그먼트 크기를 초과하면 주소 오류(trap) 발생한다.

 

🧩세그먼테이션의 장단점

✅ 장점

• 내부 단편화 해소
  • 세그먼트는 필요에 따라 크기를 지정하므로, 페이지처럼 고정 크기에서 발생하는 내부 단편화가 줄어든다.
• 보호 및 공유 기능 용이
  • 세그먼트 단위로 접근 권한을 부여하거나, 코드 세그먼트를 여러 프로세스가 공유할 수 있다.
• 논리적 구조 반영
  • 코드, 데이터, 스택 등 의미 있는 단위로 메모리를 관리하므로, 디버깅과 구조 이해가 용이하다.
• 중복 제거
  • 동일한 코드 세그먼트를 여러 프로세스에서 한 번만 로딩하여 메모리 절약 가능

 

⚠️ 단점

• 외부 단편화 발생 가능
  • 세그먼트의 크기가 가변적이기 때문에, 메모리 상에 적절한 크기의 연속 공간이 부족해지면 외부 단편화가 발생한다.
• 메모리에 로드된 스택 세그먼트 영역에서 오버 플로 발생
  • 다른 프로세스와 메모리 영역이 겹칠 수 있어 다른 프로세스의 세그먼트나 스택 오버 플로가 발생한 세그먼트를 디스크로 스왑 아웃해야 한다.
• 주소 계산 복잡성
  • 오프셋 검증 등 추가 연산이 필요하므로 하드웨어 구현과 관리가 페이징보다 복잡할 수 있다.

 

🎈 요구 페이징(Demand Paging)

요구 페이징(Demand Paging)은 말 그대로, 필요한 시점에만 페이지를 메모리에 적재하는 방식이다.

프로그램 실행 시, 전체를 한 번에 메모리에 올리지 않고, 즉시 필요한 페이지만 먼저 적재해 실행을 시작한다. 이후 실행 도중 필요해지는 페이지들은 그때그때 디스크(보조 기억 장치)에서 불러와 메모리에 적재한다.

이 방식은 가상 메모리 시스템에서 널리 사용되며, 한 번도 접근되지 않는 페이지는 아예 메모리에 올라오지 않기 때문에 불필요한 메모리 낭비를 줄일 수 있다.

또한, 요구 페이징은 지연된 로딩(lazy loading)의 대표적인 예이며, 초기 메모리 사용량을 줄이고 시스템 부팅 속도를 개선하는 데에도 도움이 된다.

 

🎈 페이지 폴트(Page Fault)

페이지 부재(Page Fault)는 프로그램이 접근하려는 페이지가 현재 메모리에 존재하지 않을 때 발생하는 현상이다.

이때 CPU는 페이지 테이블을 참조하여 해당 페이지가 유효하지 않다는 것을 확인하고, 운영체제가 디스크(보통 스왑 영역)에서 해당 페이지를 메모리로 가져온다. 이때 페이지가 해당하는 메모리 영역이 물리 메모리에 있는지는 페이지 테이블로 확인할 수 있다. 페이지 테이블은 해당 프레임이 존재하면 v(valid) 값을, 프레임이 존재하지 않거나 유효하지 않은 주소 값이면 i(invalid) 값을 반환한다.

 

페이지 폴트가 발생했을 때 처리 과정은 다음과 같다.

1. 필요한 페이지가 물리 메모리에 있는지 없는지 페이지 테이블에서 확인한다.
   • 페이지 폴트가 발생하면 i를 반환한다.
2. i를 반환하면 OS는 참조하려는 페이지의 주솟값이 유효하지 않은지, 아니면 메모리에 로드되지 않은 영역인지 판단하다.
3. 필요한 페이지가 메모리에 로드되지 않은 영역이라면 디스크에서 해당 영역을 찾는다.
4. 디스크에서 해당 페이지 영역을 스왑 인한다.
   1. 이때, 물리 메모리에 비어 있는 프레임(free frame)이 있으면 페이지를 해당 영역에 바로 로드한다. 만약 비어 있는 프레임이 없으면 페이지 교체 알고리즘(page replace algorithm)을 호출해 기존에 로드된 페이지를 디스크로 스왑 아웃한 후 새로운 페이지를 로드한다.
5. 페이지 테이블에서 새로 로드한 페이지의 값을 v로 변경한다.
6. 프로세스를 다시 실행한다.

 

페이지 부재는 정상적인 현상이지만, 지나치게 자주 발생하면 디스크 I/O가 늘어나 시스템 전체의 성능을 저하시킬 수 있다.

페이지 폴트가 너무 자주 발생하는 현상은 스래싱(thrashing)이라 부르며, 시스템의 성능을 급격히 저하시킬 수 있다

 

극단적인 경우에는 메모리에 페이지가 하나도 안 올라와 있는 상태에서도 프로세스를 실행시킬 수 있다. 운영체제에서 명령 포인터(instruction pointer)의 값을 프로세스의 첫 명령어로 설정하는 순간, 이 명령이 메모리에 존재하지 않는 페이지에 있으므로, 페이지 폴트를 발생시킨다. 페이지가 적재되고 나면 프로세스는 수행을 계속하는데, 프로세스가 사용하는 모든 페이지가 메모리에 올라올 때까지 필요할 때마다 페이지 폴트가 발생한다. 일단 필요한 모든 페이지가 적재되고 나면 더 이상 페이지 폴트가 발생하지 않는다. 이것이 순수 요구 페이징(pure demand paging)이다. 즉. 어떤 페이지가 필요해지기 전에는 결코 그 페이지를 메모리로 적재하지 않는 방법이다.

 

🎈 TLB(Translation Lookaside Buffer)

• TLB는 MMU 내부 또는 그 근처에 위치한 소형 고속 캐시 메모리이다.
• 자주 참조되는 가상 주소 ↔ 물리 주소 매핑 정보를 저장하여, 주소 변환 속도를 향상 시키는 역할을 한다.
• TLB에 매핑 정보가 있으면 페이지 테이블 접근 없이 빠르게 주소 변환이 가능하며, 이를 TLB 히트라고 한다.
• 반대로 정보가 없을 경우는 TLB 미스라 하며, 이때는 페이지 테이블을 참조해야 한다.

 

◽ 가상 메모리, MMU와 TLB의 관계

• 가상 메모리는 각 프로세스에 독립적인 주소 공간을 제공하고, 물리 메모리보다 큰 프로그램도 실행할 수 있게 해주는 메모리 관리 기법이다.
• MMU는 이러한 가상 메모리 환경에서 가상 주소를 물리 주소로 매칭하는 역할을 한다.
• TLB는 MMU의 성능을 보완하기 위해 사용되며, 자주 사용되는 주소 변환 결과를 캐싱하여 변환 속도를 높인다.

👉 이 세 요소는 함께 작동하여 효율적이고 안정적인 가상 메모리 시스템을 구성한다.

 

 

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💭 Q&A

페이징을 사용하면 외부 단편화는 해결할 수 있지만 내부 단편화라는 문제가 발생할 수 있다. 내부 단편화와 외부 단편화 중, 운영체제의 입장에서는 뭐가 더 문제일까 ? 🤔

 

결론부터 말하자면, 운영체제는 연속된 큰 공간 확보다 어려운 외부 단편화보다는, 일부 공간이 남더라도 내부 단편화를 감수하는 페이징 방식을 더 선호한다.

 

외부 단편화의 경우 메모리가 남아도 연속적인 공간이 없으면 프로그램을 실행할 수 없다는 점이 치명적이다. 물론 메모리 압축(compaction)을 통해 연속된 빈 공간을 만들 수 있지만, 이 과정은 메모리 블록을 실제로 이동시켜야 하므로 시간적으로 비효율적이고, 실행 중인 프로그램을 일시 중지하고 복사한 뒤 다시 실행하는 등의 추가적은 CPU 자원 낭비도 발생한다.

 

이때, 압축이 항상 가능한 것도 아니다. 재배치가 어셈블 또는 적재 시에 정적으로 행해진다면, 압축은 실행될 수 없다.

압축은 프로세스들의 재배치가 실행 시간에 동적으로 이루어지는 경우에만 가능하다. 주소가 동적으로 재배치할 수 있다면, 재배치 작업은 프로그램과 데이터를 새로운 위치에 옮기고 새 위치를 반영하기 위해 기준 레지스터만 변경하면 완료된다.

또한, 압축이 가능하더라도 그 비용을 검토해 보아야 한다. 가장 단순한 압축 알고리즘은 단순히 모든 프로세스를 한 쪽 끝으로 이동시켜 모든 가용 공간이 그 반대 방향으로 보이도록 하는 방법이지만, 이 방법은 비용이 매우 많이 든다.

 

따라서 운영체제는 외부 단편화를 없애고, 내부 단편화를 감수하는 것이 더 효율적인 선택이다.

 

 

 

 

 

📃 reference

• cs 전공 핵심요약집
• 이것이 취업을 위한 컴퓨터 과학이다 with CS 기술 면접
• https://zzang-log.tistory.com/42
• https://encyclopedia.pub/entry/29516