Intro

가상메모리와 페이징기법에 대해 알아보자

1. 가상메모리

• 가상메모리란 현대 운영체제가 메모리를 관리하는 기법으로, 각 프로세스에 실제 데이터가 적재되어있는 물리 메모리 주소가 아닌 물리 메모리 주소와 매핑된 가상의 메모리 주소를 주는 방식을 말한다.
• 이러한 방식은 프로세스에 실제 물리 메모리 크기보다 큰 메모리 영역을 제공할 수 있다는 장점이 있다.
• 또한 가상메모리 기법을 사용하면 각각의 프로세스는 별도의 가상 메모리 공간을 점유하며, 다른 프로세스의 메모리 공간을 참조할 수 없기 때문에 메모리 보호 측면에서도 장점이 나타난다.

1.1 가상메모리 구조

• 가상메모리 구조는 크게 Code, Data, Heap, Stack 영역으로 구분 된다.

2. 페이징기법

• 페이징 기법이란 프로세스의 가상 메모리 주소 공간을 동일한 크기의 페이지 단위로 나누어 물리 메모리의 서로 다른 위치에 페이지들을 저장하는 방식을 말한다.
• 페이징 기법을 통해 각 프로세스는 프로세스에서 사용할 가상주소 공간 전체를 물리 메모리에 전부 올려놓고 사용할 필요가 없으며 사용하지 않는 일부는 하드디스크에(Page Out), 사용중인 일부는 물리 메모리에(Page In) 올려놓고 사용하는 것이 가능하다.

• 페이징 기법에서는 물리 메모리 주소를 가상 메모리 페이지와 동일한 크기의 프레임으로 미리 나누어 둔다. 이는 가상 메모리 페이지와 물리 메모리 프레임의 크기를 동일하게 맞춤으로써 각 프로세스가 빈 프레임이 있으면 어떤 위치든 사용할 수 있기 때문이다.
• 따라서 모든 프로세스는 각각의 주소 변환을 위한 페이지 테이블을 가지며, 이 테이블은 프로세스가 가질 수 있는 페이지의 개수만큼 주소 변환 엔트리를 가지고 있게 된다.
• 페이징 기법에서는 프로세스의 가상주소 공간과 물리주소 공간이 모두 같은 크기의 페이지 단위로 나누어지기 때문에 프로세스가 빈 공간을 어느 곳이든 활용할 수 있으므로 외부 단편화 문제가 발생하지 않는다.

3. 가상메모리에서의 페이지 상태

• 가상메모리에서의 페이지의 상태는 Free, Reserve, Commit 세 가지로 나뉜다.
• Free 는 아직 가상 메모리 페이지에 물리 메모리 프레임이 할당 되지 않은 상태를 뜻하고 Commit 은 할당이 완료된 상태를 뜻한다.
• Reserve 상태를 설명하기 앞서서 프로세스 입장에서 높은 캐시히트율을 고려하여 아직 한번도 접근하지 않는 가상 메모리 주소의 페이지까지 모두 Commit 상태로 확보해버리면 어떻게 될지 먼저 생각해보자
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• 물리 메모리 공간이 심하게 낭비되므로 이는 다중 처리를 지원하는 우리의 운영체제가 지향하는 바가 아닐 것이다.
• 따라서 운영체제는 Reserve 상태를 통해 가상 메모리 페이지의 주소 공간을 최초로 접근하기 전 까지는 예약만 해두고 실제 물리 메모리에는 매핑 시키지 않는 방법을 통해 메모리 사용의 효율성을 높이고 있다.
• CPU가 프로세스에서 Reserve 상태의 페이지에 있는 주소에 최초로 접근하여 Page Fault 예외가 발생하면, 이때 운영체제가 예외를 핸들링하여 해당 페이지에 물리 메모리 프레임을 매핑시키고 페이지 상태를 Commit 으로 변경한다.