가상 메모리

주기억장치의 부족한 물리적 저장공간을 보조기억장치를 이용해서 가상으로 늘려 주는 기술

스왑 영역

가상 메모리를 위해 보조기억장치(하드디스크·SSD)의 일부를 주기억장치처럼 쓰는 공간을 스왑 영역(swap)이라 한다. 리눅스는 스왑 파티션이나 스왑 파일을 쓰고, 윈도우는 페이지 파일(pagefile.sys)을 쓴다.
윈도우에서는 [시스템 속성] → [고급] → [성능 설정] → [고급] → [가상 메모리 변경]에서 페이지 파일의 크기를 정한다. 메모리가 부족해 프로그램을 실행하지 못하면 가상 메모리 크기를 적절히 늘려 해결할 수 있다.
주기억장치(RAM)가 모자라면 당장 쓰지 않는 페이지를 스왑 영역으로 내보내고(스왑 아웃), 다시 필요하면 들여온다(스왑 인). 그래서 RAM 보다 큰 프로그램도 실행할 수 있다.
스왑 영역은 디스크라서 RAM 보다 훨씬 느리다. 스왑을 많이 쓰면 페이지를 들이고 내보내는 데 시간을 다 써서 시스템이 느려진다(스래싱). 스왑은 쓸 수 있는 메모리의 양을 늘릴 뿐 물리 메모리와 같은 속도를 내지 않는다
스왑 영역은 커널 이미지를 담는 /boot 나 프로그램·라이브러리가 들어가는 /usr 같은 파일 시스템 영역과 다르다 → 리눅스 설치, 리눅스 기본 디렉터리
리눅스의 스왑 관리는 리눅스 메모리 참고

장단점

메모리 크기의 제약으로부터 자유로워진다.
- 사용자 프로그램이 물리 메모리보다 커져도 실행 가능
병행성 및 CPU 이용률 증가
- 사용자 프로그램이 더 작은 메모리를 차지하므로 더 많은 프로그램을 동시에 수행 가능
- 주기억장치의 용량이 확대된 것 처럼 프로그램 실행 가능
부가기능 제공
- 공유 메모리
- Memory mapped file
전반적인 속도가 느려질 수 있다.
- 가상메모리를 사용할 경우 물리 메모리로 프로그램을 구동하는 것 보다 속도가 느림

주소 변환(매핑)

프로그램은 보조기억장치까지 포함한 넓은 가상 주소로 작성되고, 실행할 때 이 주소를 주기억장치의 실제(물리) 주소로 바꾸어야 한다. 이 작업을 주소 매핑(사상)이라 하며, 운영체제가 만든 페이지 테이블(세그먼트 테이블)을 메모리 관리 장치(MMU)가 읽어 하드웨어로 처리한다. 변환 결과는 변환 색인 버퍼(TLB)에 캐시해 둔다.

속도와의 관계

가상 메모리의 목적은 주기억장치의 용량을 넓혀 쓰는 것이지 속도를 높이는 것이 아니다. 주기억장치보다 큰 프로그램을 실행하고, 더 많은 프로그램을 동시에 올릴 수 있게 한다.
주소 변환이 끼어들고, 필요한 페이지가 주기억장치에 없으면(페이지 부재) 느린 보조기억장치에서 읽어 와야 하므로 처리 속도는 오히려 느려질 수 있다. 페이지 교체가 지나치게 잦아 처리가 거의 멈추는 현상을 스래싱이라 한다.
주기억장치의 접근 시간을 줄여 처리 속도를 높이는 것은 CPU 와 주기억장치 사이에 두는 캐시 메모리의 역할이다.

요구 페이지

Demand Paging
어떤 알고리즘에 따라서 미리 올려 두는 것이 아니라 실제 사용되려고 요구(demand) 될때 메모리에 적재

어떤 것을 메모리에 올릴 것인가를 판단하는 기준 중 가장 일반적으로 사용되는 기준
장점
- Less I/O needed
- Less memory needed
- Faster response
- More users

수행 과정

Virtual memory는 OS적으로 수행. HW/SW 입장에선 투명성을 가짐

어떤 명령을 수행하기 위해서 필요한 page로 엑세스를 시도한다.
페이지 엑세스가 불가능하다면(page fault)
- OS에선 페이지가 존재하지 않는 것인지, 아직 올라오지 않은 것인지 판단한다.
- 아직 올라오지 않은 것이라면 하드에서 해당되는 페이지를 찾는다.
- 메모리로 올리고 다시 명령을 수행한다.

기법

페이징(Paging)
- 가상기억장치의 일반적인 구현 방법에는 프로그램을 고정된 크기의 일정한 블록으로 나누는 방식
세그멘테이션(Segmentation)
- 가변적인 크기의 블록으로 나누는 방식

페이지 교체

상세 내용은 가상메모리 페이지 교체 참조

FIFO(First In First Out)
- 가장 먼저 들어와서 가장 오래 있었던 페이지를 교체
LRU(Least Recently Used)
- 가장 오랫동안 사용되지 않은 페이지(마지막 사용 시점이 가장 오래된 페이지)를 교체
NUR(Not Used Recently)
- LRU의 개선 기법으로, 참조 비트와 변형 비트를 두어 최근에 사용하지 않은 페이지를 교체
SCR(Second Chance Replacement)
- LRU의 개선 기법으로, 회전 주기 내에 두번 연속 사용되지 않을 경우 삭제하는 기법
OPT(OPTimal Replacement, Belady's Algorithm)
- 가장 오랫동안 사용하지 않을 페이지를 교체하는 기법('최적'을 상정하는 가상의 이론적 기법)
LFU(Least Frequency Used)
- 참조 횟수가 가장 적은 페이지를 교체한다. 마지막 사용 시점이 아니라 사용 횟수를 본다는 점이 LRU 와 다르다.
MFU(Most Frequency Used)
- 가장 빈번하게 사용된 페이지를 교체한다. 구역성(Locality)에 반하는 것으로, 거의 사용되지 않는다.