가상메모리(virtual memory)와 요구페이징(demand paging)

가상메모리 요구페이징(demand paging)

지금까지의 메모라 관리 기법 방식은 프로세스 전체가 메모리 내에 올라와야 한다는 것을 전제로 하고 있다.

프로세스 전체가 메모리 내에 올라오지 않더라고 실행히 가능하도록 하는 기법을 가상메모리라고 한다.

가상메모리는 물리 메로리로부터 사용자 관점의 논리 메모리를 분리시켜 주 메모리를 균인한 크기의 저장 공간으로 구성된 엄청나게 큰 배열로 추상화 시켜준다.

따라서 작은 메모리를 가지고도 큰 가상 주소 공간을 제공한다.

 

• 장점

  • 사용자 프로그램이 물리 메모리보다 커져도 된다. 즉, 메모리 크기의 제약으로부터 자유로워진다.
  • 각 사용자 프로그램이 더 작은 메모리를 차지하므로 더 많은 프로그램을 동시에 수행할 수 있다. 이에 따라 응답시간은 늘어나지 않으면서 CPU 이용률과 처리율이 높아진다.
  • 프로그램을 메모리에 올리고 스왑하는데 필요한 입/출력 횟수가 줄어든다. 따라서 프로그램들이 보다 빨리 실행된다.
  • 가상메모리 파일의 공유를 쉽게 해주고 공유 메모리 구현을 가능하게 한다.
  • 프로세스 생성을 효율적으로 처리할 수 있는 메커니즘도 제공한다.

• 단점

  • 구현이 어렵고, 잘못 사용시 성능이 현저히 저하될 수 있다.

요구페이징

요구페이징은 필요한 프로그램만 메모리에 적재하는 방법으로 가상 메모리 시스템에서 많이 사용된다. 요구 페이징을 사용하는 가상메모리에서는 페이지들이 실행 과정에서 실제로 필요해질 때 적재 된다.

 

요구페이징은 일부 스와핑 기법과 유사하다. 프로세스를 실행하고 싶으면 메모리로 읽어 들이며 이때 전체 프로세스를 읽어오지 않고 lazy swapper를 사용한다. lazy swapper는 그 페이지가 필요하지 않는 한 메모리에 적재 되지 않는다.

 

스와퍼는 전체 프로세스를 관리하지만 페이저(pager)는 프로세스 내의 개별 페이지들을 관리한다. 요구 페이징과 관련해서는 스와퍼보다 페이저가 더욱 가깝다.

 

swap in 시 페이저는 프로세스가 다시 swap out되기 전에 실제로 사용 될 페이지들이 어떤 것인지 추측한다. 페이저는 프로세스 전체를 스왑인 하는 대신에 실제 피룡한 페이지들만 메모리로 읽어온다. 사용되지 않을 페이지를 메모리로 가져오지 않음으로써 시간 낭비와 메모리 공간 낭비를 줄일 수 있다.

 

페이저는 어느 페이지가 디스크에만 있고 어느 페이지가 메모리에 올라와 있는지 구별할 수 있어야 한다. 이대 유효/무효 비트 기법을 사용하여 비트가 유효하면 메모리에 있는 것을 의미하고 유효하지 않으면 메모리에 없거나(디스크에 있거나) 해당 페이지가 유효하지 않다는 것이다.

 

프로세스가 메모리에 없는 페이지를 접근하려 할 때 페이지 부재 트랩(page-fault-trap)을 발생시킨다. 페이징 하드웨어는 페이지 테이블을 이용한 주소 변환 과정에 무효 비트를 발견하고 운영체제에 트랩을 건다.

 

 

페이지 부재를 처리하는 과정

1. 프로세스에 대한 내부테이블을 검사해서 그 메모리 참조가 유효/무효 인지 알아 낸다.
2. 무효한 페이지에 대한 참조라면 프로세스는 중단된다. 유효한 참조인 경우 메모리에 없으면 디스크로부터 가져와야 한다.
3. 빈 공간, 자유 프레임(free frame)을 찾는다.
4. 디스크에 새로이 할당된 프레임으로 해당 페이지를 읽어 들이도록 요청
5. 디스크 읽기가 끝나면 이 페이지가 메모리에 있다는 것을 알리기 위해 페이지 테이블을 갱신하며 프로세스가 유지되고 있는 내부테이블을 수정한다.
6. 트랩에 의해 중단되었던 명령을 다시 수행하며 프로세스는 그 페이지가 항상 메모리에 있엇던 것처럼 간주하여 해당 페이지를 접근할 수 있다.

페이지가 적재되고 나면 프로세스는 수행을 계속 하는데 프로세스가 사용하는 모든 페이지가 메모리에 올라올 때 까지 필요할 때마다 페이지 부재가 발생 한다. 일단 필요한 모든 페이지가 적재되고 나면 더 이상 부재 오류가 발생하지 않는데 이것이 순수 요구 페이징(pure deman paging)이다.

 

모든 프로그램은 참조의 지역성(locality of reference)이라는 성질이 있어서 프로그램의 어느 한 특정 작은 부분만 한 동안 집중적으로 참조하는데 이러한 성질 때문에 요구 페이징은 만족할 만한 성능을 보인다.

locality of reference 참조 지역성

동일한 값 또는 해당 값에 관계뗀 스토리지 위치가 자주 액세스 되는 특성.
참조지역성의 3가지 기본형 : 시간, 공간, 순차 지역성

1) 공간(spatial) 지역성 : 특성 클러스터들의 기억 장소들에 대해 참조가 집중적으로 이루어지는 경향으로, 참조된 메모리의 근처의 메모리를 참조.

2) 시간(temporal) 지역성 : 최근 사용되었던 기옥 장소들이 집중적으로 액세스 되는 경향으로, 참조했던 메모리는 빠른 시간에 다시 참조될 확률이 높다.

3) 순차(sequential) 지역성 : 데이터가 순차적ㅇ로 액세스 되는 경향. 프로그램 내의 명령어가 순차적으로 구성되어있다는 것이 대표적인 경우.

 

요구 페이징의 필수적인 요구 사항은 페이지 부재 오류 처리 후에 명령 처리를 다시 시작할 수 있어야 한다.

만약 페이지 부재가 명령 인출(instruction fetch)시에 발생 했다면 명령을 메모리로 읽어 온 후 다시 수행을 시도하면 된다.

 

요구 페이징은 컴퓨터 시스템의 성능에 중요한 영향을 미친다. 페이지 부재가 발생하지 않는 한 실질 접근 시간은 메모리 접근 시간과 같다. 그러나 페이지 부재가 발생하면 디스크로부터 관련되는 페이지를 읽어 온 뒤 필요한 워드를 접근해야 한다.

 

요구 페이징의 또 다른 특성은 스왑 공간의 관리이다. 스왑 공간에서의 디스크 입/출력은 일반적으로 파일 시스템에서의 입/출력보다 빠른데 그 이유는 스왑 공간은 파일 시스템보다 더 큰 블록을 사용하기 때문이고 또 스왑 공간과 입/출력을 할 때는 파일 찾기(lookup)나 간접 할당 방법 등은 사용하지 않기 때문이다.