8. 가상 메모리와 요구 페이징

운영체제가 메모리관리를 하는 이유에는 제한된 크기의 메모리를 많은 개수의 프로세스가 서로 나누어서 효율적으로 사용할 수 있도록 잘 할당하는 것에 있다. 그래서 앞에서 다뤘던 스와핑이라는 메모리 관리 기법은 한정된 크기의 메모리 내에 보다 많은 개수의 프로세스가 스케줄 되어 실행될 수 있도록 저장장치의 일부 영역까지도 마치 메모리인 것처럼 확장한 개념이다. 하지만 스와핑은 기본적으로 프로세스의 전체를 저장장치로 저장했다가 복구하는 방식을 취하고 있기 때문에 실제 구현하는 데에 있어서는 몇 가지 문제가 발생한다. 이것을 페이징이라는 메모리 관리 기법과 결합해서 보다 정교하게 설계한 것이 바로 가상메모리라는 것이다. 이러한 가상 메모리는 대부분의 운영체제에서 체택하고 있다.

 

가상메모리

메인 메모리의 크기가 한정되어 있으므로 물리적인 메모리 크기보다 크기가 큰 프로세스를 실행시킬 수 없다. 예로 100MB인 메인 메모리에서 200MB 크기의 프로세스를 실행할 수 없게 되는 것이다. 그렇다면 메인 메모리보다 크기가 큰 프로세스를 실행시키고 싶으면 어떻게 해야할까? 단순히 메인 메모리가 더 큰 컴퓨터를 사용해야 하는가? 이런 방법은 매우 비효율적일 것이다. 그래서 나온 방법이 바로 가상 메모리이다.

 

프로세스의 모든 코드는 항상 사용되어야 하거나 필요한것은 아니다. 오류 처리하는 부분이나 필요 없는 배열 부분은 실제로 프로세스가 잘 동작한다면 필요 없는 부분이 된다. 따라서 프로세스는 필요한 부분만 메모리에 올림으로써 메인 메모리에 올라가는 프로세스의 크기를 줄인다. 프로세스 이미지를 모두 메모리에 올릴 필요가 없는 것이다. 동적 적재와 비슷한 개념이라고 할 수 있다.

 

우선 우리가 실행을 시키고자 하는 프로세스들을 페이징 과정을 먼저 실행한다. 메인 메모리의 외부 단편화 문제를 해결하여 메모리 낭비를 줄이는 데에 페이징을 사용하면 매우 효율적이기 때문이다. 따라서 페이징 과정을 거쳐 특정 단위인 페이지 단위로 프로세스를 자른다. 그러면 여기서 페이지들마다 필요한 부분과 필요 없는 부분으로 나눌 수 있다. 또는 우선적으로 사용되어야하는 부분과 그렇지 않은 부분 이렇게도 나눌 수 있다. 여기서 필요한 페이지만 메모리에 적재를 하면 많은 메모리의 낭비를 막고 우리가 필요한 프로세스들을 모두 메인 메모리에서 실행을 시킬 수 있게 되는 것이다. 이를 요구 페이징이라고 한다.

 

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요구 페이징 (Demand Paging)

요구 페이징은 프로세스의 이미지를 backing store에 저장한다. backing store는 swap device로 하드웨어 부분인데 페이지를 임시로 보관하는 공간이다. 프로세스는 페이지의 조합이기 때문에 필요한 페이지만 메모리에 올린다. 이를 요구되는 페이지만 메모리에 올린다는 의미로 요구 페이징이라고 부른다.

페이징 기법을 사용할 때 페이지 테이블이라는 부분을 놔두게 된다. MMU의 재배치 레지스터를 통해 논리 주소를 물리 주소로 바꾸어주는 주소 변환 과정을 거쳐 CPU의 입장에서 프로세스가 하나의 연속된 메모리공간처럼 보일 수 있도록 이해할 수 있어야 한다. 그런데 요구 페이징 기법을 사용하면 페이지가 메모리에 올라와있는 것도 있고 backing store에 보관되어 있는 것도 존재한다. 따라서 페이지 테이블을 작성할 때 이를 구분해줄 도구가 필요하다. 그래서 valid비트 필드를 페이지 테이블에 추가한다. 1과 0의 값으로 메모리에 적재되어 있는지 없는지를 구분할 수 있다.

 

만약 오류가 발생한다면 오류를 제어할 수 있는 코드를 실행해야한다. CPU에서 해당 메모리를 가져오라고 논리 주소를 보냈는데 페이지 테이블에서 접근하려는 페이지가 메모리에 없다고 표시가 되어 있다. 이는 valid 비트 필드에 의해서 결정된다. 그러면 backing store에서 해당 페이지를 가져와야 한다. 이를 수행하기 위해서 CPU는 잠시 하는 일을 멈추고 운영체제가 나서서 backing store를 탐색하여 필요한 페이지를 메모리에 적재하게 된다. 그리고 valid 비트를 올라와 있다고 바꾸어 준다. 이런 현상을 페이지 결함, 페이지 부재(Page Fault)라고 부른다.

 

요구 페이징을 할 때 두 가지의 종류가 있다. 처음부터 모든 페이지를 적재시키지 않고 CPU가 요구할 때 valid를 바꾸어 페이지를 적재하는 방법과 우선 필요할 것 같은 페이지를 적재시키고 필요할 때 다른 페이지를 적재시키는 방법이 있다. 전자는 pure demand paging이고 후자는 prepaging 기법이다. pure기법을 사용하면 페이지를 요구할 때만 메모리에 적재하므로 메모리의 낭비는 매우 줄일 수 있다. 하지만 요구에 의해 앞선 페이지 부재의 현상을 처리 하려고 하면 많은 부담이 발생한다. 이에 반해 미리 올라와져 있는 prepaging은 처리하는 속도는 빠르겠지만 메모리가 낭비될 수도 있다.

 

요약

프로세스를 메인 메모리에 적재할 때 모든 부분을 다 올리게 되면 메모리 공간이 많이 부족하게 된다. 따라서 프로세스를 적재를 할 때 지금 당장 필요로 하는 코드의 부분만 메모리에 올리는 방법을 택하여 프로세스들이 다 메모리상에 올라와 있는 것처럼 보이게 하여 메모리 공간이 더 커보이게 한다. 이러한 방법이 바로 가상 메모리를 사용하는 것이다.

 

가상 메모리는 요구 페이징 기법을 사용하여 메모리에 올리게 된다. 프로세스는 페이지의 집합이므로 지금 필요한 페이지만 메모리에 올리고 사용하지 않는 페이지들은 backing store에 저장한다. 페이지 테이블은 메인 메모리에 적재되어 있는지 backing store에 있는지를 구분하는 valid 비트를 가지게 된다. 메인 메모리에 있는 페이지는 CPU가 요구할 시 페이지 테이블을 따라 실행을 하면 되지만 backing store에 있는 페이지의 경우에는 CPU의 동작을 멈추고 운영체제가 backing store에서 페이지를 찾아 메인 메모리에 적재를 시키고 valid비트를 바꾸어주는 작업을 수행해야 한다.

 

유효 접근 시간 및 지역성의 원리

유효 접근 시간이라는 것은 Effective Access Time으로 평균적으로 CPU가 요구할 때 메모리를 통해 읽혀지는 시간을 의미한다. 어떤 프로세스의 경우 메인 메모리에 올라와 있으면 바로 읽어서 시간이 짧을 것이고 어떤 프로세스의 경우 backing store에서 메인 메모리로 올려줘야 하는 경우 CPU도 중단시켜야하고 운영체제가 찾아서 올리는 과정까지 해서 시간이 많이 걸릴 것이다. 그래서 페이지 결함이 일어날 확률을 통해 유효 접근 시간을 구하게 된다.

 

유효 접근 시간을 수학적인 식으로 구하게 되면 다음과 같다.

Teff = (1-p)Tm + pTp

유효 접근 시간은 메모리에 존재하는 페이지와 메모리에 존재하지 않는 페이지의 접근 시간의 평균으로 구한다고 했다. p의 값은 페이지가 결함이 일어날 확률이다. 따라서 1-p는 페이지가 결함이 일어나지 않을 확률이다. Tm 값은 메인 메모리에서 바로 CPU가 실행할 수 있는 시간을 의미하고 Tp 는 운영체제가 backing store인 하드디스크에서 페이지를 찾고 메모리에 올리고 실행시키는 시간을 의미한다. 정확하게 Tp는 seek time, rotational delay,transfer time으로 나눌 수 있다. 여기서 seek time은 하드디스크에서 찾아가는 시간으로 가장 오래 걸리는 부분을 차지한다. 당연히 Tp가 Tm에 걸리는 시간이 더 크다. 따라서 각각의 확률에 시간을 곱한 후 더하게 되면 평균적으로 페이지를 접근하는데 걸리는 시간이 나오게 된다. Tp가 유효 접근 시간에 큰 영향을 끼치므로 페이지 결함을 줄여야 컴퓨터의 효율이 올라가게 된다.

 

지역성의 원리는 CPU가 참조하는 주소가 지역에 모여져 있다는 의미이다. 메모리 접근은 시간적, 공간적으로 지역성을 가진다. 시간적인 지역성은 한 번 읽었던 코드를 다시 읽을 확률이 높다는 것을 의미한다. 코드 중에는 while문이나 for문과 같이 같은 구간을 반복하는 명령이 존재하기 때문이다. 이 때 맨 처음에 페이지를 메인 메모리에 적재한 후에는 다시 적재할 필요가 없기 때문에 페이지 결함의 확률이 매우 낮다. 공간적인 지역성은 코드를 읽을 때 현재 코드의 주변에 있는 코드를 읽을 확률이 높다는 것을 의미한다. 페이지 결함이 일어나 하드디스크에서 페이지를 가져올 때 주변 코드들을 block 단위로 가져오게 되면 주변 코드를 읽을 확률이 높으니 다음의 페이지 결함의 확률이 낮아지는 것이다. 따라서 지역성의 원리에 의해 페이지 결함으로 인한 컴퓨터의 효율이 떨어지는 확률이 많이 낮아진다.

 

출처: https://copycode.tistory.com/113