[운영체제] 가상 메모리와 페이징, 세그멘테이션

 

가상 메모리 (virtual memory)

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가상 메모리는 메모리에 로드된 프로세스가 가상의 공간을 참조하여 마치 커다란 물리 메모리를 갖고 있는 것처럼 사용할 수 있도록 하는 것이다. 즉, 메모리가 실제 메모리보다 많아보이게 하는 기술! 

 

가상 메모리는 불연속 할당 방식을 통해 관리되어, 연속 할당 방식에서 발생하는 단편화 문제를 해결할 수있다. 불연속 할당 방식의 대표적인 예로는 페이징(paging)과 세그멘테이션 (segmentation)기법이 있다.

 

 

 

페이징 (paging)

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페이징은 프로세스의 메모리를 page 단위로 나누어서 page와 동일한 크기의 frame 단위로 나눈 물리 메모리에 불연속적으로 할당하는 메모리 관리 기법이다. 페이징은 메모리 관리를 단순화하고, 외부 단편화 문제를 해결하는데 도움을 준다.

 

 

페이지 테이블

메모리에 저장된 페이지를 쉽게 찾아가기 위해서 페이지 번호와 메모리 주소공간을 기록해둔 것을 페이지 테이블이라고 한다. 페이지 테이블도 실제 메모리 공간에 존재하고, 페이지 테이블의 시작 주소를 page table base register라고 하는 레지스터에 저장해둔다. 페이지를 찾기 위해 페이지 테이블에 접근하여 첫번째 메모리 접근(참조)이 발생하고, 거기서 얻은 물리주소로 실제 메모리에 두번째 메모리 접근(참조)이 발생한다. 

 

이러한 비효율적인 참조를 줄이기 위해 TLB라는 하드웨어가 CPU내에 존재한다. 자주 요청이 들어오는 메모리의 논리 주소와 물리 주소를 캐싱하여 페이지 테이블을 찾으러 가지 않고도 바로 메모리에 접근할 수 있게 해준다. TLB로 인해 CPU는 내부적으로 주소 변환을 할 수 있어 요청을 더 빨리 처리할 수 있다.

 

 

페이징의 메모리 단편화 (memory fragmentation)

페이지와 프레임의 크기가 같기 때문에 페이징 기법에서는 외부 단편화 문제가 발생하지 않는다. 하지만, 프로세스 주소 공간의 크기가 페이지의 크기 배수라는 보장이 없기 때문에 가장 마지막에 위치한 페이지에서는 내부 단편화가 발생할 가능성이 있다.

 

 

 

세그멘테이션 (segmentation)

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세그멘테이션은 프로세스를 논리적 내용을 기반으로 나누어서 물리 메모리에 불연속적으로 할당하는 메모리 기법이다. 

프로세스의 메모리는 Code, Data, Heap, Stack 영역으로 구성되어 있는데 이러한 논리적 영역(집합)을 세그먼트라고 한다. Code, Data 등 세그먼트들 내부에서도 더 작은 세그먼트로 나눌 수도 있다.

 

세그먼트는 논리적인 내용 기반으로 나눈 데이터들이기 때문에 크기가 다 다르다. 

 

 

세그먼트 테이블

세그먼트를 메모리에 할당하는 방식은 페이지를 할당하는 것과 동일하다. 세그먼트 테이블은 세그먼트의 번호, 시작 주소, 세그먼트 크기를 엔트리로 갖는다.

ex) 세그먼트 0번의 위치는? 물리 메모리의 1400번지부터 크기가 1000만큼 세그먼트 0번이 할당되어 있다. 

 

 

세그멘테이션의 메모리 단편화 (memory fragmentation)

세그멘테이션은 외부 단편화가 발생할 가능성이 있다. 하지만, 세그먼트 크기만큼 메모리를 할당하기 때문에 내부 단편화가 발생하지 않는다. 

 

 

 

 

보호와 공유

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보호

모든 주소는 페이지/세그멘테이션 테이블을 경유하므로, 테이블을 이용해서 보호기능을 수행할 수 있다. 대표적으로 테이블마다 r(read), w(wrtie), x(execute) 비트를 두어 해당 비트가 켜져있을때(1일때) 그 수행이 가능하다.

 

 

공유

공유는 메모리 낭비를 방지하기 위함이다. 같은 프로그램을 쓰는 복수 개의 프로세스가 있을 경우, 프로세스 메모리의 Code 영역은 같을 것이다. 그러므로 하나의 Code 영역을 복수개의 프로세스가 공유하여 메모리 낭비를 줄일 수 있다. 이를 non-self-modifying-code, reentrant code(재진입 가능 코드), pure code라고 한다.

 

 

페이징보다 세그멘테이션이 보호와 공유에 효율적이다. 그 이유는 세그멘테이션은 논리적으로 나누기 때문에 r, w, x 비트 설정이 간단하다. 반면 페이징은 한 페이지내에서 여러 영역이 섞일 수 있기 때문에 설정이 까다롭다. 

그러나 현재 대부분 페이징 기법을 사용한다. 왜냐하면 세그멘테이션의 외부 단편화 문제로 인한 메모리 낭비가 크기 때문이다.

 

 

 

페이지드 세그멘테이션 (paged segmentation)

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세그멘테이션은 보호와 공유에 효율적이고, 페이징은 외부 단편화 문제를 해결할 수 있다. 이 두 가지를 합쳐서 나온게 세그먼트를 페이징 기법으로 나누는 페이지드 세그멘테이션이다.

 

하지만 이 역시 단점이 존재한다. 세그먼트와 페이지가 동시에 존재하기 때문에 주소 변환도 두 번해야 한다. CPU 에서 세그먼트 테이블에서 주소 변환을 하고, 그 다음 페이지 테이블에서 또 주소 변환을 해야하기 때문에 속도 측면에서는 효율이 떨어진다. 

 

 

 

 

 

 

 

📖 참고 링크

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[운영체제 12편] 페이징 세그먼테이션 (불연속 할당 방식)

Ready-For-Tech-Interview/Operating System/Paging_Segmentation.md at master · WooVictory/Ready-For-Tech-Interview