2025-12-20
오늘 배운 것
14-1 연속 메모리 할당
스와핑
- 스와핑
- 입출력 작업의 요구로 대기 상태가 된 프로세스라던지, 오랫동안 사용되지 않은 프로세스들을 임시로 보조기억장치 일부 영역으로 쫓아내고, 그렇게 해서 생긴 메모리상의 빈 공간에 또 다른 프로세스를 적재하여 실행하는 방식
- 스왑 영역
- 프로세스들이 쫓겨나는 보조기억장치의 일부 영역
- 스왑 아웃
- 현재 실행되지 않는 프로세스가 메모리에서 스왑 영역으로 옮겨지는 것
- 스왑 인
- 스왑 영역에 있던 프로세스가 다시 메모리로 옮겨오는 것
- 스왑 아웃 후 다시 스왑 인이 되면 이전과 다른 물리 주소에 적재될 수 있음
- 스와핑을 사용하면 프로세스들이 요구하는 메모리 주소 공간의 크기가 실제 메모리 크기보다 큰 경우에도 프로세스들을 동시 실행할 수 있음
메모리 할당
최초 적합
- 운영체제가 메모리 내의 빈 공간을 순서대로 검색하다가 적재할 수 있는 공간을 발견하면 그 공간에 프로세스를 배치
- 장점
최적 적합
- 운영체제가 빈 공간을 모두 검색해 본 후, 프로세스가 적재될 수 있는 공간 중 가장 작은 공간에 프로세스를 배치하는 방식
최악 적합
- 운영체제가 빈 공간을 모두 검색해 본 후, 프로세스가 적재될 수 있는 공간 중 가장 큰 공간에 프로세스를 배치
외부 단편화
- 연속 메모리 할당은 외부 단편화라는 문제를 내포함
- 외부 단편화
- 프로세스를 할당하기 어려울 만큼 작은 메모리 공간들로 인해 메모리가 낭비되는 현상
- 해결 방법
- 메모리 압축
- 여기저기 흩어져 있는 빈 공간들을 하나로 모으는 방식으로 메모리 내에 저장된 프로세스를 적당히 재배치시켜 여기 저기 흩어져 있는 작은 빈 공간들을 하나의 큰 빈 공간으로 만드는 방법
- 단점
- 작은 빈 공간들을 하나로 모으는 동안 시스템은 하던 일을 중지해야 함
- 메모리에 있는 내용을 옮기는 작업은 많은 오버헤드 야기
- 어떤 프로세스를 어떻게 움직여야 오버헤드를 최소화하며 압축할 수 있는지에 대한 명확한 방법 결정하기 어려움
- 페이징 기법
14-2 페이징을 통한 가상 메모리 관리
- 가상 메모리
- 실행하고자 하는 프로그램을 일부만 메모리에 적재하여 실제 물리 메모리 크기보다 더 큰 프로세스를 실행할 수 있게 하는 기술
- 기법
페이징이란
- 페이징
- 프로세스의 논리 주소 공간을 페이지라는 일정한 단위로 자르고, 메모리 물리 주소 공간을 프레임이라는 페이지와 동일한 크기의 일정한 단위로 자른 뒤 페이지를 프레임에 할당하는 가상 메모리 관리 기법
- 페이징 시스템에서의 스왑 아웃, 스왑 인을 페이지 아웃, 페이지 인이라고 부름
- 페이징 단위로 스와핑이 이루어짐
- 이를 통해 프로세스를 실행하기 위해 프로세스 전체가 메모리에 적재될 필요 없이 프로세스를 이루는 페이지 중 실행에 필요한 일부 페이지만 메모리에 적재하고, 당장 실행에 필요하지 않은 페이지들은 보조 기억 장치에 남겨둘 수 있음
페이지 테이블
- 프로세스가 메모리에 불연속적으로 배치되면 CPU 입장에서 다음에 실행할 명령어 위치를 찾기 어려워짐
- 페이징 시스템은 프로세스가 물리 주소에 불연속적으로 배치되더라도 논리 주소에는 연속적으로 배치되도록 페이지 테이블을 이용
- 페이지 테이블
- 어떤 페이지가 어떤 프레임에 할당되었는지를 알려줌
- 프로세스마다 각자의 프로세스 테이블이 있음
- 각 프로세스의 페이지 테이블들은 메모리에 적재
- CPU내의 페이지 테이블 베이스 레지스터(PTBR)는 각 프로세스의 페이지 테이블이 적재된 주소를 가리키고 있음
- 페이지 테이블을 메모리에 두면 문제
- 메모리 접근 시간이 두배로 늘어남
- 메모리에 있는 페이지 테이블을 보기 위해 한 번
- 그렇게 알게 된 프레임에 접근하기 위해 한 번
- 2번의 메모리 접근 필요
- 해결 방법
- TLB(Translation Lookaside Buffer)
- CPU 곁(일반적으로 MMU 내에)에 있는 페이지 테이블의 캐시 메모리
- 페이지 테이블의 일부 내용을 저장
- 참조 지역성에 근거해 최근에 사용된 페이지 위주로 가져와 저장
- TLB 히트 : CPU가 발생한 논리 주소에 대한 페이지 번호가 TLB에 있을 경우
- TLB 미스 : 없을 경우
페이징에서의 주소 변환
- 특정 주소에 접근하기 위해 알아야할 정보
- 어떤 페이지 혹은 프레임에 접근하고 싶은지
- 접근하려는 주소가 그 페이지 혹은 프레임으로 부터 얼마나 떨어져 있는지
- 따라서 페이징 시스템에서는 모든 논리 주소가 페이지 번호와 변위로 이루어져 있음
- 페이지 번호 : 접근하고자 하는 페이지 번호
- 페이지 테이블에서 해당 페이지 번호를 찾으면 페이지가 어떤 프레임에 할당되었는지 알 수 있음
- 변위 : 접근하려는 주소가 프레임의 시작 번지로부터 얼마큼 떨어져 있는지 알기 위한 정보
- <페이지 번호, 변위> — 페이지 테이블—> <프레임 번호, 변위>
페이지 테이블 엔트리
- 페이지 테이블의 각각의 행
- 페이지 테이블 엔트리에는 페이지 번호, 프레임 번호, 유효 비트, 보호 비트, 참조 비트, 수정 비트 등이 담김
- 유효 비트 : 현재 해당 페이지에 접근 가능한지 여부
- 페이지가 메모리에 적재 : 1
- 페이지가 메모리에 적재 X : 0
- 유효 비트가 0인 페이지에 접근하려고 하면 → 페이지 폴트라는 예외 발생
- 페이지 폴트 처리 과정
- CPU는 기존의 작업 내역을 백업
- 페이지 폴트 처리 루틴을 실행
- 페이지 처리 루틴은 원하는 페이지를 메모리로 가져온 뒤 유효 비트를 1로 변경해 줌
- 페이지 폴트를 처리했다면 이제 CPU는 해당 페이지에 접근할 수 있게 됨
- 보호 비트 : 페이지 보호 기능을 위해 존재
- 0 : 읽기만 가능
- 1 : 읽고 쓰기가 모두 가능
- 더 복잡하게 (rwx) 읽기, 쓰기, 실행의 조합으로 나타낼 수 있음
- 참조 비트 : CPU가 이 페이지에 접근한 적이 있는지 여부를 나타냄
- 1 : 적재 이후 CPU가 읽거나 쓴 페이지
- 0 : 적재 이후 한 번도 읽거나 쓴 적이 없는 페이지
- 수정 비트 : 해당 페이지에 데이터를 쓴 적이 있는지 없는지 수정 여부(더티 비트)
- 1 : 변경된 적이 있는 페이지
- 0 : 변경된 적이 없는 페이지(접근 X or 읽기만)
- 페이지 아웃될 때 보조 기억 장치에 쓰기 작업을 해야 하는지 여부 판단을 위해 존재
14-3 페이지 교체와 프레임 할당
요구 페이징
- 요구 페이징
- 프로세스를 메모리에 적재할 때 처음부터 모든 페이지를 적재하지 않고 필요한 페이지만을 메모리에 적재하는 기법
- 과정
- CPU가 특정 페이지에 접근하는 명령어를 실행
- 유효 비트가 1일 경우 CPU는 페이지가 적재된 프레임에 접근
- 유효 비트가 0일 경우 페이지 폴트 발생
- 페이지 폴트 처리 루틴은 해당 페이지를 메모리로 적재하고 유효 비트를 1로 설정
- 다시 1을 수행
- 순수 요구 페이징
- 아무런 페이지도 메모리에 적재하지 않은 채 무작정 실행
- 첫 명령어를 실행하는 순간부터 페이지 폴트가 계속 발생하고 어느정도 실행에 필요한 페이지가 어느 정도 적재된 이후부터는 페이지 폴트 발생 빈도가 떨어짐
- 요구 페이징 기법으로 페이지들을 적재하다 보면 언젠가 메모리가 가득 차게 됨
- 어떤 페이지를 내보낼 지 결정하는 방법이 필요 → 페이징 교체 알고리즘
페이지 교체 알고리즘
- 페이지 폴트를 가장 적게 일으키는 알고리즘을 좋은 알고리즘으로 평가
- 페이지 참조열을 통해 페이지 폴트의 발생 횟수를 고려해야 함
FIFO 페이지 교체 알고리즘
- 가장 먼저 올라온 페이지부터 내쫓는 방식
- 장점
- 단점
- 프로그램 실행 내내 사용될 내용인데 단순히 먼저 적재되었다고 해서 내쫓으면 페이지 폴트 자주 발생
- 2차 기회 페이지 교체 알고리즘 → FIFO 페이지 교체 알고리즘의 부작용을 어느정도 개선한 알고리즘
- 가장 오래 머물렀던 페이지를 내보낼 페이지로 선별
- 만약 참조 비트가 1이면 당장 내쫓지 않고 참조비트를 0으로 만든 뒤 현재 시간을 적재 시간으로 설정
최적 페이지 교체 알고리즘
- CPU에 의해 참조되는 횟수를 고려하는 페이지 교체 알고리즘
- 앞으로의 사용 빈도가 가장 낮은 페이지를 교체하는 알고리즘
- 장점
- 단점
- 구현이 어려움 → 앞으로 오랫동안 사용되지 않을 페이지를 예측하는 것은 어려움
- 따라서 이론상으로 성능 평가하기 위한 목적으로 사용
LRU 페이지 교체 알고리즘
- 가장 오랫동안 사용되지 않은 페이지를 교체하는 알고리즘
- 최근에 사용됮 않은 페이지는 앞으로도 사용되지 않을 것이라는 아이디어를 토대로 생성된 알고리즘
스래싱과 프레임 할당
- 페이지 폴트가 발생하는 이유는 단순히 나쁜 교체 알고리즘 때문만이 아님
- 프로세스가 사용할 수 있는 프레임 수가 적어도 자주 발생
- 스래싱
- 프로세스가 실제 실행되는 시간보다 페이징에 더 많은 시간을 소요하여 성능이 저해되는 문제
- 지나치게 빈번한 페이지 교체로 인해 CPU 이용률이 낮아지는 문제를 뜻함
- 멀티프로그래밍의 정도
- 멀티프로그래밍의 정도를 늘린다고 해서 CPU 이용률이 그에 비례해서 증가하는 것이 아님
- 어느 정도 증가하다가 필요 이상으로 늘리면 각 프로세스들이 사용할 수 있는 프로세스가 적어지기 때문에 페이지 폴트가 지나치게 빈번히 발생하여 CPU 이용률이 떨어져 전체적인 성능 저해
- 각 프로세스들이 무리 없이 실행하기 위한 최소한의 프레임 수를 파악하고 프로세스들에 적절한 수만큼 프레임을 할당해 줄 수 있어야 함
- 프레임 할당 방식
- 정적 할당 방식 : 프로세스의 실행 과정을 고려하지 않고 단순히 프로세스의 크기와 물리 메모리의 크기만을 고려
- 균등 할당 : 모든 프로세스에 균등하게 프레임을 제공
- 장점 : 간단
- 단점 : 실행되는 프로세스의 크기가 각기 다른데 동일한 개수를 제공하는 것은 비합리적
- 비례 할당 : 프로세스의 크기가 크면 프레임을 많이 할당하고 프로세스 크기가 작으면 프레임을 적게 나눠 주는 방식
- 장점 : 균등 할당보다는 효율적
- 단점 : 막상 실행 했을 때 프로세스 크기와 비례하게 프레임이 필요하지 않을 수 있음
- 동적 할당 방식 : 프로세스의 실행을 보고 할당할 프레임 수를 결정
- 작업 집합 모델 사용하는 방식
- 프로세스가 일정 기간 동안 참조한 페이지 집합을 기억하여 빈번한 페이지 교체를 방지
- 작업 집합 : 실행 중인 프로세스가 일정 시간 동안 참조한 페이지의 집합
- 구하는 방식
- 프로세스가 참조한 페이지와 일정 시간 간격이 필요
- 일정 시간 간격 동안 프로세스가 참조한 페이지의 수 구하기
- 작업 집합의 크기만큼만 프레임을 할당
- 페이지 폴트 빈도를 사용하는 방식
- 아이디어
- 페이지 폴트율이 너무 높으면 그 프로세스는 너무 적은 프레임을 갖고 있음
- 페이지 폴트율이 너무 낮으면 그 프로세스가 너무 많은 프레임을 갖고 있음
- 페이지 폴트율에 상한성과 하한선을 정하고, 이 범위안에서만 프레임을 할당
