다중 프로그래밍을 실현하기 위해서는 많은 프로세스들을 동시에 메모리에 올려두어야 한다.
예전에는 실행되는 코드의 전부가 물리 메모리에 존재해야 했고, 메모리 용량보다 큰 프로그램을 실행시킬 수 없었다.
또한, 여러 프로그램을 동시에 메모리에 올리기에는 용량의 한계와 페이지 교체들의 성능 이슈가 발생하며, 가끔만 사용되는 코드가 메모리를 차지하고 있다는 점에서 불필요하게 전체의 프로그램이 메모리에 올라와 있다는 문제가 있다.
가상 메모리는 프로세스 전체가 메모리 내에 올라가지 않더라도 실행이 가능하도록 하는 기법이다.
프로그램의 일부분만 메모리에 올릴 수 있다면, 물리 메모리 크기에 제약받지 않게 되며, 더 많은 프로그램을 동시에 실행할 수 있게 되어 응답 시간은 유지되고 CPU 이용률과 처리율은 높아진다. 또한, swap에 필요한 입출력이 줄어들기 때문에 프로그램들이 빠르게 실행된다.
가상 메모리는 실제의 물리 메모리 개념과 사용자의 논리 메모리 개념을 분리한 것으로 정리할 수 있다.
이로써 작은 메모리를 가지고도 얼마든지 큰 가상 주소 공간을 프로그래머에게 제공할 수 있다.
가상 주소 공간
가상 주소 공간이란, 한 프로세스가 메모리에 저장되는 논리적인 모습을 가상 메모리에 구현한 공간이다.
프로세스가 요구하는 메모리 공간을 가상 메모리에서 제공함으로써 현재 직접적으로 필요하지 않은 메모리 공간은 실제 물리 메모리에 올리지 않는 것으로 물리 메모리를 절약할 수 있다.
예를 들어, 한 프로그램이 실행되며 논리 메모리를 100KB가 요구되었다고 하자. 하지만 실행까지에 필요한 메모리 공간(Heap, Stack, Code, Data 영역)의 합이 40KB라면, 실제 물리 메모리에는 40KB만 올라가 있고, 나머지 60KB는 필요시에 물리 메모리에 요구한다고 이해할 수 있다.
프로세스 간의 페이지 공유
가상 메모리는 시스템 라이브러리가 여러 프로세스들 사이에 공유될 수 있도록 한다. 각 프로세스들은 공유 라이브러리를 자신의 가상 주소 공간에 두고 사용하는 것처럼 인식하지만, 라이브러리가 올라가 있는 물리 메모리 페이지들은 모든 프로세스에 공유되고 있다.
또한, 프로세스들이 메모리를 공유하는 것을 가능하게 하고, 프로세스들은 공유 메모리를 통해 통신할 수 있다. 이 역시, 각 프로세스들은 각자 자신의 주소 공간처럼 인식하지만, 실제 물리 메모리는 공유되고 있다.
Demand Paging (요구 페이징)
프로그램 실행 시작 시에 프로그램 전체를 디스크에서 물리 메모리에 적재하는 대신, 초기에 필요한 것들만 적재하는 전략을 요구 페이징이라고 하며, 가상 메모리 시스템에서 많이 사용된다. 그리고 가상 메모리는 대게 페이지로 관리된다.
요구 페이징을 사용하는 가상 메모리에서는 실행 과정에서 필요해질 때 페이지들이 적재된다.
프로세스 내의 개별 페이지들은 페이저(pager)에 의해 관리되며, 페이저는 프로세스 실행에 실제 필요한 페이지들만 메모리로 읽어 옴으로써, 사용되지 않는 페이지를 가져오는 시간 낭비와 메모리 낭비를 줄일 수 있다.
페이지 교체
요구 페이징에서 언급한 대로 프로그램 실행 시에 모든 항목이 물리 메모리에 올라오지 않기 때문에, 프로세스의 동작에 필요한 페이지를 요청하는 과정에서 page fault(페이지 부재)가 발생하게 되면, 원하는 페이지를 보조 저장장치에서 가져오게 된다. 하지만, 만약 물리 메모리가 모두 사용 중인 상황이라면, 페이지 교체가 이루어져야 한다. (또는, 운영체제가 프로세스를 강제 종료하는 방법이 있다.)
페이지 교체의 기본적인 방법은 다음과 같다.
- 디스크에서 필요한 페이지의 위치를 찾는다.
- 빈 페이지 프레임을 찾는다.
a. 페이지 교체 알고리즘을 통해 희생될(victim) 페이지를 고른다.
b. 희생될 페이지를 디스크에 기록하고, 관련 페이지 테이블을 수정한다. - 새롭게 비워진 페이지 테이블 내 프레임에 새 페이지를 읽어오고, 프레임 테이블을 수정한다.
- 사용자 프로세스 재시작
페이지 교체 알고리즘
FIFO 페이지 교체
가장 간단한 페이지 교체 알고리즘으로 First-In First-Out의 흐름을 가진다.
즉, 먼저 물리 메모리에 들어온 페이지 순서대로 페이지 교체 시점에 먼저 나가게 된다.
이해하기 쉽고, 프로그램하기 쉽다는 장점이 있다.
하지만, 처음부터 활발하게 사용되는 페이지를 교체해서 페이지 부재율을 높이는 부작용을 초래할 수 있다.
또한, 페이지를 저장할 수 있는 페이지 프레임의 개수를 늘려도 되려 페이지 부재가 더 많이 발생하는 모순인 Belady의 모순이 발생할 수 있다.
최적 페이지 교체 (Optimal Page Replacement)
앞으로 가장 오랫동안 사용되지 않을 페이지를 찾아 교체하는 방법으로 Belady 모순을 해결하는 알고리즘이다.
알고리즘 중 가장 낮은 페이지 부재율을 보장하지만, 모든 프로세스의 메모리 참조의 계획을 미리 파악할 방법이 없기 때문에 구현의 어려움이 있다.
LRU 페이지 교체 (Least Recently Used)
최적 페이지 알고리즘의 근사 알고리즘으로, 가장 오랫동안 사용되지 않은 페이지를 선택하여 교체한다.
대체적으로 FIFO 알고리즘보다 우수하고, OPT 알고리즘보다는 그렇지 못하다.
LFU 페이지 교체 (Least Frequently Used)
참조 횟수가 가장 적은 페이지를 교체하는 방법이다.
활발하게 사용되는 페이지는 참조 횟수가 많아질 거라는 가정에서 만들어진 알고리즘이다.
어떤 프로세스가 특정 페이지를 집중적으로 사용하다가, 다른 기능을 사용하게 되면 더 이상 사용하지 않아도 계속 메모리에 머물게 되어 초기 가정에 어긋나는 시점이 발생할 수 있다.
MFU 페이지 교체 (Most Frequently Used)
참조 횟수가 가장 작은 페이지가 최근에 메모리에 올라왔고, 앞으로 계속 사용될 것이라는 가정에서 만들어진 알고리즘이다.
