[운영체제] 가상 메모리란? (VM이란?)

메인 메모리란?

프로세스는 프로그램이 실행되는 동안 하드웨어의 상태를 읽거나 갱신합니다. 이때 프로그램 실행 시 필요한 주소, 정보들을 저장하고 프로세스가 사용할 명령어들을 가지고 있어 읽고 쓰는 데이터들을 관리해줍니다. 메모리란 거대한 바이트의 배열인 주소공간으로 통상적으로 RAM, 즉 메인메모리를 뜻합니다.

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가상 메모리 등장 배경

현대의 PC는 대부분 폰 노이만 구조 기반으로, 프로세스가 실행되는 코드의 전체를 메모리에 업로드해야 하기 때문에 메모리 용량보다 더 큰 프로그램의 실행히 불가능했습니다. 하지만, 리눅스 프로세스는 하나에 4GB인데, 통상적인 메모리 8GB 또는 16GB이기 때문에 물리적 메모리 크기의 한계를 극복하기 위해 가상 메모리가 등장했습니다.

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가상 메모리란?

실제 물리 메모리 개념과 사용자의 논리 메모리 개념을 분리한 것입니다. 즉, 프로세스를 실행할 때 실행에 필요한 일부만 메모리에 로드하고 나머지는 보조기억장치(가상 메모리 공간)에 두는 것입니다. 따라서 한정적인 메모리 공간을 더 많이 제공해주기 위해 가상주소를 사용합니다.

 

물리 메모리의 한계

• 모든 프로그램 코드를 물리 메모리에 올릴 수가 없음
• 프로그램을 교체하면서 올리면 메모리 교체 성능 문제가 발생

 

가상 메모리의 장점

• 프로세스 전체가 물리적 메모리에 있는 것처럼 수행
• 프로그램 용량이 실제 물리 메모리보다 커도 됨
• 더 많은 프로그램을 동시에 실행 할 수 있음(멀티태스킹)
• 가상의 주소 공간을 사용 해 논리적인 연속성 제공

 

정리하자면 가상 메모리는 메모리 관리 기법의 하나로 컴퓨터가 실제로 이용 가능한 메모리 자원을 추상화하여 큰 메모리로 보이게 하는 것!

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가상 메모리와 MMU

MMU(Memory Management Unit)는 하드웨어 칩으로, 가상 주소에서 물리 주소로 빠르게 변환하는 기능을 제공합니다. CPU가 프로세스를 실행할 때는 가상 메모리 주소를 사용하고, 실제 해당 가상 주소에서 데이터를 읽고 쓸 때만 물리 메모리 주소로 접근해서 샐행됩니다. 이때 MMU(Memory Management Unit)를 통해 논리(가상)주소, 물리주소를 나누어 사용함으로써 CPU를 속일 수 있습니다. 

 

• 가상 주소(Virtual Address) : 프로세스가 참조하는 주소 (0~4GB) (가상적으로 주어진 주소)
• 물리 주소(Physical Address) : 실제 메모리 주소 (0~4GB 중 일부)

CPU는 무저건 가상 메모리만을 참조하고, MMU는 어느 가상 주소가 어느 물리 주소에 매칭 되는지 확인하고 매칭된 물리 주소로 물리 메모리에 접근합니다. 접근된 물리 메모리에서 data를 CPU에게 전달하여 프로세스를 실행하게 됩니다.

 

정리하자면 MMU에 의해 가상 주소를 실제 주소로 변환되기 때문에 사용자는 실제 주소를 의식할 필요 없이 프로그램을 구축할 수 있게 됩니다.

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가상 메모리의 관리

가상 메모리는 가상 주소와 실제 주소가 매핑되어 있고 프로세스의 주소 정보가 들어 있는 '페이지 테이블'로 관리됩니다.

이때, MMU는 속도 향상을 위해 *TLB라는 캐싱 계층을 통해서 페이지 테이블에 접근하게 됩니다.

 

*TLB: 메모리와 CPU 사이에 있는 주소 변환을 위한 캐시로, 페이지 테이블에 있는 리스트를 보관하며 CPU가 페이지 테이블까지 가지 않도록해 속도를 향상시킬 수 있는 캐시 계층

 

페이지 폴트란?

*페이지 폴트(page fault)란 프로세스의 주소 공간에는 존재하지만 RAM에는 없는 데이터에 접근했을 경우에 발생합니다.

 

*페이지: 가상 메모리를 사용하는 최소 크기 단위

*프레임: 실제 메모리를 사용하는 최소 크기 단위

 

스와핑이란?

운영체제는 페이지 폴트가 발생하면 스와핑을 통해 페이지 폴트가 발생하지 않은 것처럼 만듭니다. 즉, 당장 사용하지 않는 영역을 하드디스크로 옮기고, 하드디스크의 일부분을 마치 메모리처럼 불러와 사용하게 됩니다.

 

페이지 폴트가 발생하여 스와핑이 작동하는 과정은 다음과 같습니다.

1. CPU는 물리 메모리를 확인하여 해당 페이지가 없으면 트랩을 발생해서 OS에게 알림
2. OS는 CPU의 동작을 잠시 멈춤
3. OS는 페이지 테이블을 확인하여 가상 메모리에 페이지가 존재하는지 확인하고, 없으면 프로세스를 중단하고 현재 물리 메모리에 비어 있는 페리임이 있는지 찾음. 이때, 물리 메모리에도 없으면 스와핑이 발동
4. 비어 있는 프레임에 해당 페이지를 로드하고, 페이지 테이블을 최신화 함
5. 중단되었던 CPU를 다시 시작

 

스레싱(thrashing)이란?

스레싱은 메모리의 페이지 폴트가 너무 많이 일어나는 상황을 의미하며, 이는 컴퓨터의 심각한 성능 저하를 초래합니다. 즉, 메모리에 너무 많은 프로세스가 동시에 올라가서 스와핑이 많이 일어나는 상황입니다.

 

 

스레싱이 일어나는 과정은 다음과 같습니다.

• 페이지 폴트가 일어나면 CPU 이용률이 낮아짐
• CPU 이용률이 낮아지면 OS는 가용성을 높이기 위해 더 많은 프로세스를 메모리에 올림
• 이와 같은 악순환이 반복되며 스레싱이 발생

 

따라서 이를 해결하기 위해 메모리를 늘리거나, 사용중인 HDD를 SDD로 바꾸는 방법이 있습니다. 또한 OS측면에서는 작업 세트와 PFF 등을 이용합니다.

 

• 작업 세트(working set): 프로세스의 과거 사용 이력인 지역성(locality)를 통해 결정된 페이지 집합을 만들어 미리 메모리에 로드하는 것으로, 탐색 비용과 스와핑을 줄일 수 있음.
• PFF(Page Fault Frequency): 페이지 폴트 빈도를 조절하는 방법으로 상한선과 하한선을 만드는 방법으로, 상한선에 도달한다면 프레임을 늘리고 하한선에 도달한다면 프레임을 줄임. 

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가상 메모리의 관리 기법

가상 메모리의 관리 기법에는 크게 페이징과 세그먼테이션 2가지 방법이 있습니다. 해당 방법에 대해서는 아래 포스팅에서 자세히 알아보도록 하겠습니다.

 

https://j-su2.tistory.com/62

[운영체제] 페이징과 세그먼테이션

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[참고]

https://eunjinii.tistory.com/61

가상 메모리 등장한 이유, 가상 메모리 이용하는 원리

https://steady-coding.tistory.com/524

[운영체제] 페이징과 세그멘테이션

https://rebro.kr/179

[운영체제(OS)] 9. 가상 메모리(Virtual Memory)

https://velog.io/@codemcd/%EC%9A%B4%EC%98%81%EC%B2%B4%EC%A0%9COS-15.-%EA%B0%80%EC%83%81%EB%A9%94%EB%AA%A8%EB%A6%AC

[운영체제(OS)] 15. 가상메모리

https://technote-mezza.tistory.com/92

[운영체제 OS] 메모리 관리란? - 이유, 방법

https://velog.io/@dbswl31024/%EA%B0%80%EC%83%81%EB%A9%94%EB%AA%A8%EB%A6%AC%EC%99%80-%ED%8E%98%EC%9D%B4%EC%A7%95-%EC%84%B8%EA%B7%B8%EB%A8%BC%ED%85%8C%EC%9D%B4%EC%85%98

가상메모리와 페이징, 세그먼테이션

https://www.inflearn.com/course/%EA%B0%9C%EB%B0%9C%EC%9E%90-%EB%A9%B4%EC%A0%91-cs-%ED%8A%B9%EA%B0%95/dashboard

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