Chapter9. 가상 메모리

유튜브에 있는 김덕수 교수님의 Operating System 강의를 듣고 정리한 내용입니다.
중간에 등장하는 ppt 내용들은 모두 강의자료를 캡처한 것입니다.

🔧 Virtual Memory (가상 메모리)

Virtual address	Address mapping

• 사용자 프로그램을 여러 개의 block으로 분할
• 프로세스 실행 시, 필요한 block들만 메모리에 적재
• 나머지 block들은 swap device에 존재
• Non-continuous allocation
  • Virtual address (Logical address)
    • 연속된 메모리 할당을 가정
  • Real address (Physical address)
    • 실제 메모리에 적재된 주소
  • Address mapping = virtual address → real address
• 기법들
  • Paging sysem
  • Segmentation system
  • Hybrid system

Block mapping

Block Map Table	Mapping

• virtual address v = (b,d)
  • b : block number
  • d : displacement(offset) in a block
• Block map table (BMT)
  • 커널 공간에 프로세스마다 하나의 BMT 가짐
  • residence bit: 해당 블록이 메모리에 적재되었는지 여부 (1/0)
• 필요한 블록이 메모리에 있다면
  • 실제 주소 (a + d) 에서 메모리 접근
• 필요한 블록이 메모리에 없다면
  • swap device에서 블록을 메모리에 가져온 후 실제 주소 다시 계산

🔧 Paging System

• 프로그램을 같은 크기의 블록으로 분할
  • page: 분할된 block
  • page frame: 메모리의 분할 영역 (page와 같은 크기)
• 논리적 분할이 아님 (같은 함수가 쪼개질 수 있음)
  • Page sharing(공유) 및 protection(보호) 과정이 복잡
• 간단하고 빠름
• Extenal fragmentation 없음
• Intenal fragmentation 발생 가능 (맨 마지막 꼭다리)
• Swap device를 어디로 설정하느냐에 따라 성능 차이 (실제 윈도우에서 설정 가능)

Address mapping

• Page Map Table (PMT) 사용
• Direct mapping
• Associative mapping
• Hybrid mapping

Direct mapping

PMT	Mapping

• Block mapping과 같은 방법
• Residence bit = 0 인 경우 (swap device에서 페이지 가져와야 함)
  • page fault 발생
  • Context switching 발생 (overhead)
  • page fault 줄이는 것이 성능을 결정짓는 중요한 요소
• 문제점
  • 메모리 접근 횟수가 2배 (PMT 확인, 실제 메모리 접근)
  • PMT를 위한 메모리 공간 필요 (커널에 존재)

Associative mapping

• Translation Look-aside Buffer (TLB)에 PMT 적재 (변환 색인 버퍼)
• PMT 전용 하드웨어 (캐시)
  • PMT 병렬 탐색
  • Low overhead & high speed
• Expensive

Hybrid mapping

• Direct + Associative 혼합
• 작은 크기의 TLB 사용
  • PMT: 메모리(커널)에 저장
  • TLB: PMT 중 일부 entry들만 적재
    • 최근에 사용된 page들 저장
    • Locality 원리
• 먼저 TLB 탐색, TLB에 없으면 PMT 탐색

Memory management

• Frame table
  • 메모리를 page와 같은 크기로 미리 분할하여 관리/사용
  • FPM과 유사
  • 비어있는 공간을 linked list로 저장
• 구성
  • Allocated/Available : 프로세스에 할당 되었나
  • PID : 어떤 페이지가 올라왔느냐
  • Link : 사용 가능한 공간 (빈 공간) 포인터
  • AV : 빈 공간의 시작점

Page sharing

• Non-continuous allocation 이기 때문에 여러 프로세스가 특정 page 공유 가능
  • procedure page (Pure code)
  • data page
    • read-only data
    • read-write data (concurrency 제어 하에서만 가능)

page sharing 문제점

Data page	Procedure page

• Data page sharing에서는 큰 문제 없음
• Procedure page의 경우 페이지 중간으로 이동해야 하는 경우가 생김 (if, switch, …)
  • 이때 테이블에 따라 주소가 다르게 표현되기 때문에 어디로 가야하는지 알려줄 수가 없음
• 따라서 프로세스들이 page를 공유하면 PMT의 같은 entry에 저장하도록 맞춰줌 (ex. k번째 entry로 통일)

Page protection

• 페이지를 공유할 때 PMT에 protection bit 사용
  • V : 메모리에 적재 여부
  • R : 읽기 여부
  • W : 수정 여부
  • E : 실행 여부

🔧 Segmentation System

• 프로그램을 논리적 block으로 분할
  • Block의 크기가 서로 다름
  • ex) stack, heap, main procedure, shared lib, …
• 메모리를 미리 분할하지 않음 (VPM과 유사)
• Segment sharing/protection이 용이함
• Address mapping 및 메모리 관리 overhead 큼
• Internal fragmentation 없음

Address mapping (Direct mapping)

Segment Map Table	Direct Mapping

• Segment Map Table (SMT) 이용
  • segment length 존재
• residence bit가 0인 경우 : segment fault
• offset d가 segement length보다 큰 경우 : segment overflow

Memory management

Partition Table (State Table)	Sharing & Protection

• Segment 적재 시, 크기에 맞추어 분할 후 적재
• VPM과 유사
• 논리적 분할이기 때문에 공유 및 보호가 용이함

🔧 Hybrid Paging & Segmentation System

• paging system의 장점: 관리가 편함
• segmentation system의 장점: 메모리의 효율적 활용
• Hybrid System
  • 1. 논리 단위의 segemt로 분할
  • 1. 각 segment를 고정된 크기의 page로 분할
• Page단위로 메모리에 적재

Address mapping

PMT & SMT	Direct Mapping

• Virtual address : v = (s, p, d)
• SMT와 PMT 모두 사용
  • 각 프로세스마다 하나의 SMT
  • 각 segment마다 하나의 PMT
• 장점
  • page sharing/protection이 쉬움
  • 메모리 관리 overhead 작음
• 단점
  • address mapping 과정이 복잡함 (3배)
  • 메모리 소모가 큼

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