(8) 가상 메모리

가상 메모리 

- 메모리가 실제 메모리보다 많아 보이게 하는 기술로 고안된 메모리 기법이다.

 

<가상메모리의 중요 목표>

• 가상화

    – 각 프로세스가 모든 메모리를 소유하고 있는 것처럼 보이게 함

       • 프로세스마다 자신의 주소 체계를 가짐

   – 프로세스들이 사용하고 있는 모든 메모리의 총합이 컴퓨터가 실제로 가지고 있는 메모리보다 많을 수 있음

 

• 보호 – 의도치 않게 다른 프로세스의 데이터에 접근하지 않도록 함

   – 시스템(커널)이 사용하는 데이터에 접근하지 못하도록 함

 

• 가상화의 주요 기술

  – 주소 변환

  – 페이징

  – 보호

 

<가상메모리의구현>

• 주요 가상 메모리 기법

– 베이스와 바운드(Base and bound)

– 세그멘테이션(Segmentation)

– 페이지테이블(Page Table)

– 멀티 레벨 페이지 테이블(Multi-level page tables)

 

• 주소 변환

– 프로세스가 메모리에 접근할 때 운영체제는 주소를 가상 주소에서 물리 주소로 변환함

– 운영체제는 각 프로세스마다 {가상주소, 물리주소}로 이루어진 테이블을 가짐

 

1. 베이스와 바운드 방식

• 아주 간단한 주소 변환 방식으로 구현이 쉽지만 기능이 제한적임

– 연속된 가상의 주소 영역을 연속된 물리적 주소 영역에 매핑함

– 하지만, 연속된 주소 영역을 실제 메모리에서 확보하기 어려움

 

• 주소 변환 예 (program counter) 

– 명령어 읽어오기(EIP): 0x0023 (가상 주소)+ 0x00FF (base) = 0x0122 (물리 주소)

– 데이터 읽어오기(ESP): 0x0F76 (가상 주소) + 0x00 FF(base) = 0x1075(물리 주소)

• 변환된 주소가 프로세스 영역 밖에 있으면 오류 발생

2. 세그멘테이션 방식

• 프로세스의 각 영역을 베이스와 바운드 방식으로 메모리 할당

– 프로세스는 코드와, 스택, 힙 등으로 구성되어 있고, 각 부분을 베이스와 바운드 방식을 사용함

– 기존의 베이스와 바운드 방식보다는 유연하지만, 여전히 동일한 문제를 가짐

* 세그멘테이션 오류 (Fault)

• 프로세스에 할당된 영역을 벗어나서 메모리에 접근하려고 할 때, 운영체제는 오류를 발생시키는데, 이를 세그멘테이션 오류라고 함

• 예:

–char buf[5];

–strcpy(buf, “Hello World”);

• 오늘날 세그멘테이션 방식은 사용되지 않지만, 메모리 영역과 관련된 오류에는 여전히 세그멘테이션 오류라는 말이 사용되고 있음

 

* 메모리단편화 (Fragmentation)

• 메모리가 작은 조각으로 나누어지는 현상

   – 내부 단편화와 외부 단편화로 구분됨

   – 내부 단편화: 할당 영역(세그멘테이션) 내에서 발생

   – 외부 단편화: 물리적 메모리 공간에서 발생

• 압축(compaction) 을 통해 해결가능, 하지만 비용이 비쌈

• 세그멘테이션 방식은 베이스와 바운드 방식보다는 유연하지만 여전히 메모리 단편화 문제가 발생함

3. 페이지 테이블 방식

• 페이지 테이블 방식은 세그멘테이션 방식을 일반화하여 사용되는 연속된 메모리 영역의 크기를 더욱 작게 유지함

– 메모리는 동일한크기(4KB)로 나누어져 할당됨

– 가상 메모리에서 사용되는 영역을 페이지 라고하며, 실제 물리적인 메모리에서 사용되는 영역을 프레임 이라고 함

– 운영체제는 가상 페이지: 물리 프레임 간의 매핑을 위한 테이블을 유지함

• 페이지 테이블에서는 사용할 수 있는 최대 메모리의 크기가 제한됨

– 32비트: 4GB

– 멀티 레벨 페이지 테이블의 등장(2학년때 배우세요~)

 

 

<페이지 테이블에서의 주소 변환 예>

 

메모리스왑(swap)

• 개념: 물리 메모리의 공간(프레임)을 디스크에 저장하고, 디스크에 저장된 데이터를 다시 메모리의 프레임으로 복구

•오늘날의 대부분의 운영체제는 메모리 스왑을 지원함