가상 메모리의 개념 (논리주소, 페이지 폴트, 스와핑)

가상메모리란?

프로그램을 시작하기 위해서는 프로그램이 메모리에 올라와야 하는데, 모든 프로그램을 올리기에는 메모리의 용량이 턱 없이 부족하다. 이때 필요한 것이 가상 메모리이다. 

가상 메모리는 컴퓨터가 이용 가능한 메모리 자원들을 추상화하는 것이라고 하는데, 이게 무슨 말일까?

 

CPU는 프로세스를 실행할 때 논리 주소(logical memory)를 바라본다.

이때 실제로 메모리에 있는 지 없는 지 상관없이, 가상 메모리를 통해서 논리 주소를 모두 프로세스에게 할당하여준다. 

이렇게 해주면 CPU 입장에서는 "모든 프로세스들이 메모리에 올라와 있네?" 라는 착각을 하게 되고 이를 메모리의 추상화라고 볼 수 있다.

(실제 메모리에 있는 없든 CPU 입장에선 알 필요 없다.)

 

가상 메모리가 필요한 이유

가상 메모리의 핵심은 프로세스의 일부분만 메모리에 올릴 수 있다는 것이다.

기존에는 프로세스를 실행시키기 위해서 메모리에 프로세스 전체를 올려야했다. 하지만 이러한 방식은 메모리의 용량이 부족하거나 다른 프로세스가 실행될 경우 빈번하게 스왑(swap) 요청이 반복된다는 문제가 있었으며, 메모리의 비효율성을 초래했다.

 

그렇기 때문에 가상 메모리에서는 요구페이징 기법을 사용하여 가상 메모리 공간을 페이지로 나누고 꼭 필요한 페이지들만 물리 메모리에 가져온다.

 

요구 페이징 기법이란

 

모든 프로세스를 메모리에 올려놓으면 메모리 관리가 힘들어지고 응답 시간이 느려진다는 단점이 있었다.

요구 페이징 기법은 이런 문제를 해결하기 위해 나온 것인데, 요구되는 프로세스의 일부만 메모리에 적재함으로써 기존 문제들을 완화시킬 수 있다.

 

출처 : https://velog.io/@chappi/OS%EB%8A%94-%ED%95%A0%EA%BB%80%EB%8D%B0-%ED%95%B5%EC%8B%AC%EB%A7%8C-%ED%95%A9%EB%8B%88%EB%8B%A4.-16%ED%8E%B8-Demand-Paging%EC%9A%94%EA%B5%AC-%ED%8E%98%EC%9D%B4%EC%A7%95-locality%EC%A7%80%EC%97%AD%EC%84%B1

 

 

만약 가상 메모리에서 4번 페이지를 요청했는데 page fault가 발생한 경우를 살펴보자.

현재 4번 페이지의 유효비트는 1(invalid)이다. 그렇다면 스왑 영역에서 가져와야하는데 이때 스와핑이 발생한다.

일단, 임의로 4번에 있는 페이지를 스왑 영역으로 방출(스왑 아웃)한다. 그러면 유효비트는 1에서 0이 되고 스왑 영역 내의 주소(6)가 들어가게 된다.

그 다음 스왑 영역의 1번에 해당하는 프로세스(E)가 물리메모리의 3번 프레임으로 올라가고 유효 비트는 1에서 0으로 바뀐다.

 

출처 : https://velog.io/@chappi/OS%EB%8A%94-%ED%95%A0%EA%BB%80%EB%8D%B0-%ED%95%B5%EC%8B%AC%EB%A7%8C-%ED%95%A9%EB%8B%88%EB%8B%A4.-16%ED%8E%B8-Demand-Paging%EC%9A%94%EA%B5%AC-%ED%8E%98%EC%9D%B4%EC%A7%95-locality%EC%A7%80%EC%97%AD%EC%84%B1

 

이처럼 유효비트가 1(메모리에 없음)일때는 주소 필드에 프레임 번호가 들어가고 0(메모리에 있음)일때는 메모리 주소가 들어간다.

그리고 예시에서는 임의로 페이지를 방출했지만, 실제로는 페이지가 꽉 찼을 경우 지역성을 고려해서 페이징 알고리즘을 설계한다.

 

가상 메모리의 동작 방식

필요성을 알았다면 기본적인 동작 방식을 다뤄보려고한다.

 

먼저 처음에는 CPU가 프로세스 요청을 하는 것부터 시작한다.

이때 바로 페이지 테이블로 가는 것이 아닌 캐싱 계층인 TLB를 방문한다. -> 여기에도 없으면 페이지 테이블로 간다.

 

 

하지만 물리 메모리 자체에 적제가 되어있지 않다면 페이지 폴트 현상이 발생한다.

메모리에 없는 프로세스마저 논리 주소를 할당하기 때문에 이 현상은 불가피하다. 

 

중요한 것은 페이지 폴트가 일어난 다음인데, 바로 스와핑을 통해 페이지 폴트를 대처할 수 있다.

스와핑이란 메모리에 없는 프로세스를 바로 디스크의 스왑 영역에서 가져옴으로써 빨리 메모리에 적재시키는 것이다.

 

스와핑이 자주 일어난다는 것은 좋은 현상이 아니다. 대표적인 문제가 *스레싱이다.

스와핑이 동시 다발적으로 발생하면 CPU 처리의 공백이 발생한다.

근데 운영체제는 이를 CPU가 놀고있다고 인식하고 더 많은 프로세스를 메모리에 올리는데 이러한 악순환의 반복으로 성능이 떨어지게된다.

 

스레싱 : 페이지 부재율(Page fault)이 증가하여 CPU 이용율이 급격하게 떨어지는 현상

 

스레싱 현상의 대표적인 해결법으로는 PFF(page fault frequency)를 사용하여 페이지 폴트의 상한선과 하한선을 정해줌으로써 최소한의 페이지 프레임 할당을 보장해주는 방식이 있다.

이 방식을 통해 페이지 폴트 빈도를 계산하여 페이지 폴트가 상한선보다 높으면 더 많은 프레임을 할당해주고 낮으면 할당한 프레임을 회수해줄 수 있다.

 

아니면 작업 집합 모델(Working Set)을 만들어서 가장 최근에 참조된 페이지들을 집합으로 관리할 수 있다.

이는 최근에 참조된 프레임들이 이후에도 또 참조될 것이라는 지역성에 기반한다.

 

가상 메모리의 장단점

장점

메모리 관리를 효율적으로 할 수 있다.

기존에는 프로세스 전체가 올라와야 했다면 페이지 테이블을 통해 꼭 필요한 페이지만 메모리에 올릴 수 있다.

 

또한 램+스왑 영역을 통해 비교적 넓은 영역에 메모리를 저장할 수 있어서 메모리 충돌 위험이 적고 메모리 관리가 비교적 단순해진다.

 

단점

페이지 폴트 현상이 빈번할 시 스레싱으로 인한 성능 저하가 발생하는 데 이를 완화하기 위한 추가 작업이 필요하다. ex) 페이징 알고리즘

 

결론

가상 메모리를 사용함으로써 꼭 필요한 프로세스들만 페이지 단위로 메모리에 올릴 수 있으며, 이를 통해 효과적으로 메모리를 관리할 수 있다.

CPU 입장에서는 이런 메모리의 추상화를 통해 모든 프로세스들을 자유롭게 요청할 수 있고 만약 메모리에 없더라도 스왑을 통해 바로 요청할 수 있다.

 

하지만 잦은 페이지 폴트로 인한 스레싱을 방지하기 위해 어떤 프로세스를 올리고 내릴 지에 대한 추가적인 페이징 알고리즘이 필요하다.