[OS] 가상메모리와 요구 페이징, 페이지 교체

메인 메모리의 크기는 한정되어 있다.

따라서 물리적인 메모리 크기보다 크기가 큰 프로세스는 실행시킬 수 없다.

이러한 프로세스를 실행시키기 위해서는 메인 메모리를 크게 키울 수 있겠지만 이것은 굉장히 비효율적이다.

따라서 등장한 방법이 바로 가상 메모리(Virtual Memory)이다.

 

 

1. 가상메모리(Virtual Memory)란?

• 정의: 메모리 관리 기법의 하나로 매우 큰 메모리인 것처럼 보이게 만드는 것
  👉 프로그램에 실제 메모리 주소가 아닌 가상의 메모리 주소를 주는 방식
• 장점
  • 사용자 프로그램이 물리 메모리보다 커져도 됨 👉 메모리 크기의 제약이 자유로워짐
  • 각 사용자 프로그램이 더 적은 메모리를 차지하여 더 많은 프로그램을 동시 수행 가능
  • CPU 이용률과 처리율이 높아짐
  • 프로그램을 메모리에 올리고 스왑할 때 필요한 입출력 횟수가 줄어듦
  • 가상 메모리 파일의 공유를 쉽게 하고 공유 메모리 구현을 가능하게 함
  • 프로세스 생성을 효율적으로 처리할 수 있는 매커니즘을 제공함

 

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프로세스 실행 시 모든 부분이 필요한 것은 아니다.

따라서 실행 시 필요한 부분만 메모리에 올려 메인 메모리에 올라가는 프로세스의 크기를 줄일 수 있다.

이것이 요구 페이징이다.

 

2. 요구 페이징 Demand Paging

• 정의: 프로그램 실행 시 프로세스를 구성하는 모든 페이지를 한꺼번에 메모리에 올리는 것이 아니라 당장 사용될 페이지만을 올리는 방식
  👉 요구 페이징 기법에서는 특정 페이지에 대해 CPU의 요청이 들어온 뒤 해당 페이지를 메모리에 적재함
• 장점
  • 필요한 페이지만 메모리에 적재하므로 메모리 사용량이 감소함
  • 프로세스 전체를 메모리에 올리는 데 소요되는 입출력 오버헤드가 감소함
  • 사용되지 않는 주소 영역에 대한 입출력이 줄어 응답시간이 줄어듦
  • 시스템이 더 많은 프로세스를 수용할 수 있게 해줌
  • 물리적 메모리의 제약을 벗어날 수 있음
• 단점
  • 페이지 부재(page fault)로 인한 성능 저하
    : 페이지 부재는 일반적인 페이징에서도 발생하지만, 특히 요구 페이징에서는 필요한 페이지만 물리 메모리에 적재하므로 더 많은 페이지 부재가 발생할 수 있음
    👉 요구 페이징을 사용할 때는 페이지 교체 알고리즘을 잘 설계해야 페이지 부재를 최소화할 수 있음

 

페이지 부재란?
Page Fault

• 정의: 메모리에 적재된 페이지 중 사용 페이지가 없을 때를 의미함
• 빈 페이지가 하나도 없거나 미리 정한 수보다 적을 때 발생함

 

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페이지 부재가 발생하면 요청된 페이지를 디스크에서 메모리로 읽어와야 한다.

이때 물리적 메모리에 빈 프레임이 존재하지 않을 수 있다.

이 경우 물리적 메모리에 올라와 있는 페이지 중 하나를 선택해서 디스크의 스왑 영역을 보내야 한다.

이와 같은 과정을 페이지 교체라고 한다.

 

3. 페이지 교체

• 정의: 필요한 페이지가 주기억장치에 적재되지 않았을 시(페이지 부재) 어떤 페이지 프레임을 선택하여 교체할 것인지 결정하는 것
  • 프레임: 물리 메모리를 일정한 크기로 나눈 블록
  • 페이지: 가상 메모리를 일정한 크기로 나눈 블록
• 페이지 교체 알고리즘이란?
  
  • 정의: 어떠한 프레임에 있는 페이지를 디스크의 스왑 영역으로 보낼 것인지를 결정하는 알고리즘
    
  • 목표: 페이지 부재율을 최소화하는 것
  • 페이지 교체 알고리즘의 종류: FIFO, LRU, LFU, 클럭

 

- 선입선출 알고리즘 (FIFO, First In First Out)

• 정의: 페이지 교체 시 물리적 메모리에 가장 먼저 올라온 페이지를 우선적으로 내보내는 알고리즘
• 단점: 페이지의 향후 참조 가능성을 고려하지 않으므로 비효율적인 상황이 발생할 수 있음
  예) FIFO의 이상 현상(FIFO abnomaly): 페이지 프레임을 더 많이 사용하는데 오히려 페이지 부재 횟수가 증가하는 이상현상

 

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- LRU 알고리즘 (LRU, Least Recently Used Algorithm)

• 정의: 페이지 교체 시 가장 오래 전에 참조가 이루어진 페이지를 내보냄
• 장점: FIFO 알고리즘에 비해 페이지 부재 횟수 감소

 

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- LFU 알고리즘 (Least Frequently Used Algorithm)

• 정의: 과거에 참조 횟수가 가장 적은 페이지를 교체 시킬 페이지로 결정하는 알고리즘
• 단점: 앞으로 가장 많이 사용될 수도 있는 페이지가 참조 횟수가 적다는 이유로 교체될 수 있음
  👉 최신 흐름을 잘 반영하지 못할 수도 있음

 

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- 클럭 알고리즘 (NRU(Not Used Recently) or NUR(Not Recently Used))

• 정의: 하드웨어적인 자원을 통해 기존(LRU, LFU) 알고리즘의 소프트웨어적인 운영 오버헤드를 줄인 방식
• 특징: LRU처럼 가장 최근에 참조되지 않은 페이지를 대상으로 선정한다는 점에서 LRU와 유사하지만 교체되는 페이지의 참조 시점이 가장 오래되었다는 것을 보장하지는 않음

 

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참고

1. https://code-lab1.tistory.com/59
2. https://zangzangs.tistory.com/142
3. https://velog.io/@kangdev/%EC%9A%B4%EC%98%81%EC%B2%B4%EC%A0%9C-%EC%9A%94%EA%B5%AC-%ED%8E%98%EC%9D%B4%EC%A7%95-Demand-Paging
4. https://doh-an.tistory.com/28
5. https://zangzangs.tistory.com/143