Virtual Momery

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181202 Today I learned Virtual Memory

TIL 카테고리의 글은 그날 배운 것을 정리하는 목적으로 포스팅합니다. 내용이 잘못되었다면 댓글로 피드백 부탁드립니다.

가상 메모리

Virtual Memory 한정된 물리 메모리의 한계를 극복하고자 디스크와 같은 저장장치를 활용해 애플리케이션들이 더 많은 메모리를 활용할 수 있게 해주는 것

  • 어떤 프로세스를 실행할 때 프로세스 전체가 메모리에 적재되지 않고도 실행이 가능 하도록 함.

  • 현재 필요한 부분만 메모리에 적재하도록 할 수 있음.

  • (실제 메모리) physical memory보다 주소공간이 더 클 수 있음.
  • 파일이나 메모리가 둘 또는 그 이상의 프로세스들에 의해 공유되는 것을 가능하게 함.
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책상에 많은 책을 펴놓고 공부를 할 때 책상에 해당되는 것이 실제 물리 메모리이고 책상에 책을 놔둘 공간이 없어 책을 꽃아놓는 책장이 가상 메모리라고 생각하면 된다.
책상에 펴져있는 책들은 실행 중인 프로세스들이고 책장에 꽂아져있는 책들은 프로그램들이다.

요구 페이징 (Demand Paging)

초기에 필요한 것만 실제 메모리에 적재하고 페이지들이 실행 과정에서 실제로 필요할 때 적재하는 기법.

  • 한번도 접근되지 않는 페이지는 물리 메모리에 적재되지 않게 됨.
  • 스와핑 기법과 비슷함.
  • pager : 페이지들의 연속. 프로세스 내의 개별 페이지들을 관리함.
  • 디스크에서 메모리로 페이지를 적재하는 swap in을 수행하는 경우 프로세스가 다시 swap out되기 전에 실제로 어떤 페이지들이 사용될 것인지 추측하고 실제로 필요한 페이지들만 메모리로 읽어옴.

프로세스 전체가 아닌 부분 조각 page들만 가져오기 때문에 특정 프로세스 내에서 어떤 페이지가 실제 메모리에 적재 되어있는지 아닌지를 구별해야함.

page table의 valid-invalid bit 를 이용해 판단함.

page table

  • 페이지 테이블에는 각각의 page에 맵핑되는 frame과 valid-invalid bit로 구성되어 있음.
  • valid-invalid bit를 통해 어떤 페이지가 실제 물리 메모리에 적재되어있는지 표시해주고 만약 실제 물리 메모리에 적재되어있지 않다면 그 페이지가 저장되어있는 디스크 주소를 기록해 나중에 필요할 때 디스크에서 가져올 수 있게 함.

page fault

실제 물리 메모리에 적재되어있지 않는 페이지를 접근하려고 할 때 발생하는 트랩.

현재 접근하려고 하는 페이지 테이블의 valid-invalid bit 항목이 무효로 되어있으면 발생함.

순수 요구 페이징 (pure demand paging)

어떤 페이지가 필요해지기 전에는 페이지를 적재하지 않는 것

순수 요구 페이징을 사용하면 맨 처음부터 page fault가 발생함.

page fault handling (페이지 부재 처리)

page fault

  1. 프로세스에 대한 내부 테이블을 검사해서 그 메모리 참조가 유효(valid)/무효(invalid) 인지를 알아낸다.

  2. 만약 무효한 페이지에 대한 참조라면 그 프로세스는 중단된다. 만약 유효한 참조인데 페이지가 아직 메모리에 올라오지 않았다면, 그것을 디스크로부터 가져와야 한다.

  3. 빈 공간 즉, 자유 프레임을 찾는다. (예를 들면, 페이지 프레임 리스트에서 하나 가져옴)
  4. 디스크에 새로이 할당된 프레임으로 해당 페이지를 읽어 들이도록 요청한다.

  5. ​디스크 읽기가 끝나면, 이 페이지가 이제는 메모리에 있다는 것을 알리기 위해 페이지 테이블을 갱신하며, 프로세스가 유지하고 있는 내부 테이블을 수정한다.

  6. 트랩에 의해 중단되었던 명령을 다시 수행한다. ​이제 프로세스는 마치 그 페이지가 항상 메모리에 있었던 것처럼 해당 페이지를 접근할 수 있다.

지역성의 원리 (locality of reference)

CPU가 참조하는 주소가 지역에 모여져있다.

한번 읽었던 코드(주소)를 다시 읽을 확률(while, for)이 높기 때문에 page fault가 문제가 될 만큼 많이 일어나지 않음.

페이지 교체 (Page Replacement)

프로세스가 메모리보다 더 큰 용량의 페이지를 적재하려고 할 때 (메모리가 꽉 찼을 때) 페이지 알고리즘을 통해 페이지를 교체하는 것

  • 프로그램이 실행되면서 요구 페이지가 늘어나고 메모리가 가득 차서 페이지를 올릴 자리가 없을 때 특정 페이지(victim page)와 교체하는 것.
  • 해당 페이지가 수정됬는지 아닌지를 확인(modifiy bit or dirty biy)해서 수정됬으면 디스크에도 수정을 해야하므로 수정되지 않은 페이지를 골라 교체함.

victim page

희생자 페이지. 메모리에 할당되어야 하는 페이지에게 자신의 자리를 내어주는 페이지임.

page replacement

그렇다면 희생자 페이지는 어떤 알고리즘을 통해 고를까?

FIFO Algorithm

할당된지 오래된 페이지를 교체하는 것.

  • 오래된 페이지가 얼마나 자주 사용될지도 모르는데 교체하는 것은 무모함.
  • 페이지 부재율(page fault)가 높아지고 효율적이지 않음
  • 페이지가 교체되어도 바로 부재처리(page fault handling) 되어 다시 메모리에 적재시키며 프로세스가 정상적으로 동작함.

Optimal Algorithm

최적 알고리즘. 앞으로 가장 오랫동안 사용되지 않을 페이지를 찾아 교체하는 것.

  • 프레임 수가 고정된 경우 가장 낮은 페이지 부재율을 보장함.
  • 알고리즘 구현이 어려움

LRU Alogirithm

가장 오랜 기간 사용되지 않은 페이지를 교체하는 것.

  • optimal algorithm은 미래를 내다보는 것이라면 least recently used algorithm은 과거를 보고 미래를 예측한다고 생각하면 됨. (최근에 사용되지 않았으면 나중에도 사용되지 않을 것)
  • 실질적으로 사용 가능한 알고리즘