[운영체제] 가상 메모리 관리

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저번 포스팅은 메모리 배치(Placement) 정책에 관한 것이었다면, 이번 포스팅은 메모리 가져오기(Fetch) 정책에 관한 것이다.

요구 페이징

운영체제는 프로세스를 구성하는 모듈을 전부 메모리에 올리지 않는다. 필요한 모듈만 메모리에 올려 실행하고 나머지 모듈은 사용자가 특정 기능을 요구할 때와 같이 필요하다고 판단될 때 메모리로 불러온다. 이렇게 사용자가 요구할 때 해당 페이지를 메모리로 가져오는 것을 요구 페이징(Demand Paging)이라고 한다.
 
캐시같이 앞으로 필요할 것이라고 예상되는 부분을 미리 가져올 수도 있겠지만, 미리 가져온 데이터가 쓸모없게 되면 피해가 매우 크므로 현대의 운영체제는 요구 페이징을 기본으로 사용한다. 참고로 요구 페이징은 사용자가 요구할 때까지 페이지를 물리 메모리로 가져오는 것을 최대한 미루기 때문에, 쓰기 시점 복사(Copy On Write)와 비슷하다고 볼 수 있다. 이렇듯, 사용자가 요구할 때 메모리에 올리는 것을 게으른 스와퍼(Lazy Swapper)라고 한다.

페이지 부재(Page Fault)

프로세스가 페이지를 요청했을 때 그 페이지가 메모리에 없는 상황을 페이지 부재라고 한다. 페이지 부재가 발생하면 프로세스가 해당 페이지를 사용할 수 있도록 스왑 영역에서 물리 메모리로 옮겨야 한다(Swap-In).

참고로, 세그먼테이션 오류(Segmentation Fault)와 페이지 부재(Page Fault)의 차이점은 다음과 같다.

 

	세그먼테이션 오류	페이지 부재
원인	사용자 프로세스의 메모리 접근 관련 오류	요구 페이지의 물리 메모리 부재
해결 방법	프로세스 강제 종료	Swap-In

 

페이지 부재에 대해 깊게 알려면 먼저 페이지 테이블 엔트리의 구조에 대해 알고 있어야 한다.

페이지 테이블 엔트리(PTE: Page Table Entry)

페이지 테이블의 레코드 하나(한 행)를 PTE라고 부른다. 아래 그림은 페이지 테이블 엔트리의 구성 요소를 나타낸다.

 

페이지 번호는 매핑 방식에 따라 포함되기도 하고 제외되기도 하므로 중요하게 생각하지 않아도 된다. 프레임 번호는 가상 주소의 해당 페이지가 어느 프레임에 있는지 알려주는 자료구조로 페이지 테이블의 핵심이다. 프레임 번호는 주소 필드라고도 한다.

다음은 각각의 플래그 비트들에 대한 간단한 설명이다.

접근 비트(Access bit)
페이지가 메모리에 올라온 후 사용한 적이 있으면 1, 없으면 0이 된다. 참조 비트(Reference bit)라고도 한다.

변경 비트(Modified bit)
페이지가 메모리에 올라온 후 데이티 변경이 있었다면 1, 없었다면 0이 된다. 데이터가 새로운 값으로 오염되었다는 의미로 더티 비트(Dirty bit)라고도 한다.

유효 비트(Valid bit)
페이지가 실제 메모리에 있으면 0, 스왑 영역에 있으면 1이 된다. 현재 비트(Present bit)라고도 한다.

읽기, 쓰기, 실행 비트
페이지에 대한 읽기, 쓰기, 실행 권한을 나타낸다. 만약, 읽기 권한이 없는 프로세스가 읽기를 수행하려 할 때 접근을 차단하는 데 사용된다. 세 가지 비트를 합쳐서 접근 권한 비트(Rights bit)라고도 한다.

페이지 부재는 요청한 페이지의 PTE에서 유효 비트가 1일 경우의 상황을 의미한다.

페이지 부재 발생 시 조치

 

1번 그림

 

2번 그림

2번 그림은 1번 그림과 같은 메모리 환경에서 어떤 프로세스가 페이지 3을 요청했을 경우 메모리 관리자가 어떤 작업을 하는지 보여준다. 다음은 작업에 대한 일련의 과정이다.

• 페이지 3에 대한 PTE의 유효 비트가 1이기 때문에 페이지 부재가 발생한다.
• 메모리 관리자는 PTE의 주소 필드에 저장되어 있는 스왑 영역 내 주소, 즉 0번에 있는 페이지를 물리 메모리에 비어 있는 5번 프레임으로 가져온다.
• 스왑인이 완료되면 PTE 3의 유효 비트는 1에서 0으로, 주소 필드 값은 프레임 5번으로 바꾸고, 프레임 5번에 존재하는 데이터를 프로세스에 전달한다.

2번 그림 상황은 물리 메모리에 빈 프레임이 있어서 작업이 수월했지만, 만약, 빈 프레임이 없을 때는 메모리에 있는 프레임 중 하나를 스왑 영역으로 보내야 한다. 어떤 페이지를 스왑 영역으로 내보낼지 결정하는 알고리즘을 페이지 교체 알고리즘이라고 하며, 페이지 교체 알고리즘에 의해 스왑 영역으로 보낼 페이지를 대상 페이지라고 한다.

3번 그림

3번 그림은 2번 그림과 같은 메모리 환경, 즉 물리 메모리에 빈 프레임이 존재하지 않을 때, 메모리 관리자가 어떤 작업을 하는지 보여준다.