[운영체제] 페이징과 세그먼테이션

가상 메모리 관리 기법이란?

페이징과 세그먼테이션은 *가상 메모리를 관리하는 기법으로 프로세스가 사용하는 메모리 공간을 잘게 나누어 비연속적으로 실제 메모리에 할당하는 메모리 관리 기법입니다.

 

*가상 메모리 : 실제 메모리 크기와 상관없이 메모리를 사용 할 수 있도록 가상 메모리 주소를 사용하는 것

https://j-su2.tistory.com/59?category=1016207 

[운영체제] 가상 메모리란? (VM이란?)

 

연속 메모리 관리의 문제점

다중 프로그래밍 시스템은 여러 프로세스를 수용하기 위해 RAM을 동적 분할하는 메모리 관리 작업이 필요합니다. 이때 프로그램 전체가 하나의 커다란 공간에 연속적으로 할당되어 있다면 *단편화 현상이 발생합니다.

• 고정 분할 기법 : 주 기억 장치가 고정된 파티션으로 분할 -> 내부 단편화 발생
• 동적 분할 기법 : 파티션들이 동적 생성되며 자신의 크기와 같은 파티션에 적재 -> 외부 단편화 발생

*단편화 현상 : 기억 장치의 빈 공간 또는 자료가 여러 조각으로 나뉘는 현상으로 프로세스들이 차지하는 메모리 틈 사이에 사용하지 못할 만큼의 자유 공간이 늘어나게 됩니다.

 

내부 단편화

외부 단편화

위의 그림과 같이 발생한 외부 단편화 해소를 위한 페이징과 내부 단편화 해소를 위한 세그먼테이션 기법이 있습니다.

 

페이징(Paging)이란?

프로세스의 주소 공간을 일정한 크기의 페이지로 분할해서 메모리에 불연속으로 저장하는 방식입니다.

• 페이지 : 고정 사이즈의 가상 메모리 내 프로세스 조각
• 프레임 : 페이지 크기와 같은 주 기억 장치의 메모리 조각

페이징 동작 과정

위의 그림과 같이 페이징 테이블을 사용해 고정 크기의 페이지로 분리된 가상메모리를 고정 크기의 프레임인 물리 메모리를 매핑해줍니다. 이때, 개발 페이지는 순서에 상관 없이 물리 메모리에 있는 프레임에 매칭되어 저장됩니다.

페이징 테이블

• 모든 프로세스는 하나의 페이징 테이블을 가지고 있음
• 메인 메모리에 적재되어 있는 페이지 번호와 해당 페이지가 위치한 메인 메모리의 시작 주소가 있음
• 하나의 프로세스를 나눈 가상 메모리 페이지들이 각각 실제 메인 메모리의 어디 프레임에 적재되어 있는지 알아냄
• 논리 주소와 물리 주소로 변환될때 MMU가 필요함

따라서 위의 그림에서 P1 프로세스의 0번째 페이지는 메인 메모리의 5번째 프레임이 존재하는 것을 알 수 있습니다.

 

페이징의 장점

• 논리 메모리는 물리 메모리에 저장될 때 연속되어 저장될 필요가 없음
• 물리 메모리에 남는 프레임에 적절히 배치되기 때문에 외부 단편화가 생기지 않음

 

페이징의 단점

• 내부 단편화 문제가 발생
• 페이지 단위를 매우 작게 만들면 내부 단편화를 줄일 수 있지만 페이지 매핑 과정이 복잡해져 오히려 비효율적

 

세그먼테이션(Segmentation)이란?

물리적인 고정 크기로 분할하는 페이징과 달리 프로그램의 논리적인 내용 단위로 프로세스의 메모리 공간을 분리하는 기법입니다. 즉, 프로세스를 크기가 서로 다른 논리적인 단위인 세그먼트로 분할 해 메모리에 적재하는 방법입니다.

 

세그먼테이션 동작 과정

페이징과 매핑 테이블 동작 방식은 동일하지만, 논리 주소의 앞 비트들은 페이징 번호가 아니라 세그먼트 번호를 사용하게 됩니다. <segment, offset> 형태로 구성되어 있어 세그먼트 번호를 통해 세그먼트의 기준( 세그먼트의 시작 물리 주소)와 한계 (세그먼트의 길이)를 파악할 수 있습니다.

 

세그먼테이션의 장점

• 가변적인 크기를 가지기 때문에 내부 단편화 문제가 해소됨
• 보호와 공유 기능을 수행할 수 있음. 프로그램의 중요한 부분과 중요하지 않은 부분을 분리하여 저장할 수 있고, 같은 코드 영역은 한번에 저장 가능

 

세그먼테이션의 단점

• 외부 단편화 문제가 발생

 

페이징과 세그먼테이션 종류

단순 페이지

• 각 프로세스는 프레임과 같은 길이를 가진 균등 페이지로 나뉨
• 외부 단편화 X
• 내부 단편화 O

 

단순 세그먼테이션

• 각 프로세스는 여러 세그먼트로 나뉨
• 내부 단편화 X, 메모리 효율을 개선, 동적 분할을 통한 오버헤드가 감소
• 외부 단편화 O

 

가상 메모리 페이징

• 단순 페이징과 비교해 프로세스 페이지 전부를 로드할 필요가 없음
• 필요한 페이지가 있으면 나중에 자동으로 불러 들일 수 있음
• 외부 단편화X
• 복잡한 메모리 관리로 오버헤드가 발생할 수 있음

 

가상 메모리 세그먼테이션

• 필요하지 않은 세그먼트들은 로드되지 않음
• 필요한 세그먼트가 있을 때 나중에 자동으로 불러 들일 수 있음
• 내부 단편화X
• 복잡한 메모리 관리로 오버헤드가 발생할 수 있음

 

[참고]

https://bellog.tistory.com/159

[운영체제] 페이징과 세그멘테이션

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

[운영체제] 페이징과 세그멘테이션

https://github.com/gyoogle/tech-interview-for-developer/blob/master/Computer%20Science/Operating%20System/Paging%20and%20Segmentation.md

GitHub - gyoogle/tech-interview-for-developer: 👶🏻 신입 개발자 전공 지식 & 기술 면접 백과사전 📖