[운영체제] 메모리 관리(가상 메모리)

운영체제의 대표적인 할 일 중 하나인 메모리 관리에 관련해서 포스팅해보려 한다!

운영체제는 컴퓨터 내의 한정된 메모리를 효율적으로 관리해야 한다. 

 

가상 메모리(Virtual Memory)

 가상 메모리는 메모리 관리 기법의 하나로, 컴퓨터가 실제로 이용 가능한 메모리 자원을 추상화해서 이를 사용하는 사용자에게 매우 큰 메모리로 보이게 만드는 것을 말한다.

즉, 사용자에게 메모리가 실제 메모리보다 많아 보이게 하는 기술다.

어떤 프로세스가 실행될 때 메모리에 해당 프로세스 전체가 올라가지 않더라도 실행 가능하다는 점에서 고안되었다.

프로세스를 실행할 때 실행에 필요한 일부만 메모리에 로드하고 나머지는 디스크에 두는 것이다.

이때 가상적으로 주어진 주소를 '가상 주소(Logical address)'라 하며, 실제 메모리상에 있는 주소를 '실제 주소(Physical address)'라 한다.

가상 주소는 메모리 관리 장치(MMU)에 의해 실제 주소로 변환되며, 이 덕분에 사용자는 실제 주소를 의식할 필요 없이 프로그램을 구축할 수 있다.

 

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

이때, 속도 향상을 위해 TLB를 쓴다.

* TLB(Translation Lookaside Buffer) : 메모리와 CPU 사이에 있는 주소 변환을 위한 캐시이다. 페이지 테이블에 있는 리스트를 보관하며 CPU가 페이지 테이블까지 가지 않도록 하기 해서 속도를 향상시킬 수 있는 캐시 계층이다. 

 

스와핑(swapping)

만약 가상 메모리에는 존재하지만, 실제 메모리인 RAM에는 현재 없는 데이터나 코드에 접근할 경우, 페이지 폴트가 발생한다.

이때 메모리에서 당장 사용하지 않는 영역을 하드디스크로 옮기고 하드디스크의 일부분을 마치 메모리처럼 불러와 쓰는 것을 스와핑이라 한다. 이를 통해 페이지 폴트가 일어나지 않은 것처럼 만든다. 

페이지 폴트 외에도 프로세스를 추가할 수 없을 만큼 메모리가 꽉 찬 상태에서 프로세스를 추가해야 할 경우, 오랜 기간 대기 상태인 프로세스를 잠시 하드디스크로 옮기고(Swap-out), 새로운 프로세스를 메모리에 올려서 실행할 수 있다. 이때 하드디스크에 옮겨둔 프로세스에서 어떤 이벤트가 발생하여 대기 상태가 종료되어야 하는 경우 다시 메모리에 올린다.(Swap-in)

 

페이지 폴트(page fault)

페이지 폴트란 프로세스의 주소 공간에는 존재하지만 지금 이 컴퓨터의 RAM에는 없는 데이터에 접근했을 경우 발생한다. 

페이지 폴트와 그로 인한 스와핑은 다음 과정으로 이루어진다.

1. CPU는 물리 메모리를 확인하여 해당 페이지가 없으면 트랩을 발생해서 운영체제에 알린다. 
2. 운영체제는 CPU의 동작을 잠시 멈춘다.
3. 운영체제는 페이지 테이블을 확인하여 가상 메모리에 페이지가 존재하는지 확인하고, 없으면 프로세스를 중단하고 현재 물리 메모리에 비어 있는 프레임이 있는지 찾는다. 물리 메모리에도 없다면 스와핑이 발동된다.
4. 비어 있는 프레임에 해당 페이지를 로드하고, 페이지 테이블을 최신화한다.
5. 중단되었던 CPU를 다시 시작한다.

* 페이지 : 가상 메모리를 사용하는 최소 크기 단위

* 프레임 : 실제 메모리를 사용하는 최소 단위 크기

 

스레싱(thrashing)

스레싱은 페이지의 메모리 폴트율이 높은 것을 의미한다. 이는 컴퓨터의 심각한 성능 저하를 초래한다.

스레싱은 메모리에 너무 많은 프로세스가 동시에 올라가서 스와핑이 많이 일어나면 발생한다. 

페이지 폴트가 일어나면 해당 페이지 폴트를 위에서 언급한 과정을 통해 처리하는 동안 CPU가 멈추면서 CPU 이용률이 낮아진다.

CPU 이용률이 낮아지게 되면 운영체제는 CPU가 한가한 줄 알고 가용성을 더 높이기 위해 더 많은 프로세스를 메모리에 올리게 된다.

이와 같은 악순환이 반복되면서 스레싱이 일어나게 된다.

 

이를 해결하기 위한 방법으로 메모리를 늘리거나, HDD를 사용한다면 HDD를 SSD로 바꾸는 방법이 있다. 

이외에 운영체제에서 이를 해결할 수 있는 방법은 다음과 같다.

• 작업 세트(working set)
  • 프로세스의 과거 사용 이력인 지역성을 통해 결정된 페이지 집합을 만들어서, 미리 메모리에 로드하는 것이다. 
  • 미리 메모리에 로드하면 탐색에 드는 비용을 줄일 수 있고 스와핑 또한 줄일 수 있다.
• PFF(Page Fault Frequency)
  • 페이지 폴트 빈도를 조절하는 방법으로 상한선과 하한선을 만드는 방법이다.
  • 만약 상한선에 도달한다면 프로세스가 더 많은 프레임이 필요하다는 뜻이므로 프레임을 늘리고, 하한선에 도달한다면 프로세스가 너무 많은 프레임을 가지고 있다는 뜻이므로 프레임을 줄이는 것이다.