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가상메모리(Virtual Memory)와 요구페이지(Demand Paging)

23 Dec 2019 | OS operating system

개인공부 후 자료를 남기기 위한 목적임으로 내용 상에 오류가 있을 수 있습니다.
경성대학교 양희재 교수님 수업 영상을 듣고 정리하였습니다.

가상메모리(Virtual Memory)

물리 메모리 크기 한계 극복하기 위해 생겨남

물리 메모리보다 큰 프로세스를 실행? e.g) 100MB 메인 메모리에서 200MB 크기의 프로세스 실행

어떻게 해결할까?

프로세스 이미지를 모두 메모리에 올릴 필요는 없다. 즉, 현재 실행에 필요한 부분만 메모리에 올린다.
오류 처리 제외, 배열 일부 제외, 워드프로세스에서 정렬, 표 기능 제외 -> 동적 적재(dynamic loading)과 비슷한 개념

즉, 일반적으로 프로세스를 메모리에 올린다고하면 code, data, stack을 한번에 다 올려야 한다고 생각하지만, 실제로 그럴필요가 없다.

좀 더 현실적으로 프로세스가 여러개가 있고 이를 메모리에 올리려고 한다면, 각 프로세스를 페이지별로 쪼개고(일정 크기로) 각각 필요한 페이지만을 메모리에 올린다. 크기가 큰 프로세스 전체는 메모리에 다 올릴 수가 없지만, 지금 이 순간에 필요한 애들만(쪼개져 있는 애들 중) 올리면 충분히 메모리에 올릴 수가 있게된다. 이렇게 프로세스를 자르되, 요구되는 페이지만 메모리에 올리는 것을 요구페이지 라고 한다.

요구 페이지(Demand Paging)

프로세스를 페이지 단위로 잘라서 메모리에 올리는데 요구되는 페이지만 메모리에 올리고 필요하지 않은 페이지들은 backing store(하드디스크)에 저장해주는 것
페이지가 요구되어지면 그때 그때 들고 올라온다 > 요구페이지

  • 프로세스 이미지는 backing store에 저장
  • 프로세스는 페이지의 집합
  • 지금 필요한 페이지만 메모리에 올린다(load) -> 요구되는(demand)페이지만 메모리에 올린다

요구페이지를 만들기 위해서는 어떤 하드웨어가 필요할까?

  1. valid bit 추가된 페이지 테이블
  2. backing store(=swap device)

페이지 결함(Page fault) = 페이지 부재

접근하려는 페이지가 메모리에 없다(Invalid)

페이지 결함이 일어났다는 것은 cpu 어떤 주소를 냈는데, 그에 해당하는 페이지 엔트리 내용이 0으로 나타났다는 것
이때 페이지 테이블에서 cpu로 전기신호(인터럽트)를 보내게 되고 이를 감지한 cpu는 os에게 routine을 통해 (page fault routine)을 실행하게 된다.

Steps in handling a page fault
Backing store에서 해당 페이지를 가져온다.
cpu가 어떤 주소를 냈고 해당 주소에 대해 invalid를 보게되면 page table에서 cpu에 interrupt를 걸어
os루틴안에서 해당 페이지를 읽어서 메모리로 가져오고 가져온 프레임 번호를 테이블에 기록하고 해당 비트를 valid로 하면 원하는 페이지를 열 수 있다.

용어: pure demand paging vs prepaging

순수 요구페이징(pure demand paging) : 진짜 필요한 애들만 가져오는 것
프로그램이 처음 시작할 적에 지금 필요한게 아니면 아무것도 들고오지 않기 때문에 처음 시작할 때부터 page fault가 일어난다.

그래서 속도는 느리지만, 메모리가 절약된다.

미리페이징(prepaging) : 지금 필요하지 않아도 미리 몇페이지를 가져오는 것

속도는 빠르지만(page fault가 적게 일어남) 메모리 낭비가 있다.

비교: swapping vs demand paging

  • Swapping: 메모리와 backing store를 움직이는 단위가 프로세스 단위로 움직임
  • Demand Paging: 갖고오는단뒤가 페이지 단위임

유효 접근 시간

cpu가 주소를 낼때 빠르게 읽히는게 있고, 느리게 읽히는 게 있는데 이때 평균적인 속도는 얼마정도일까를 유효접근시간이라고 한다.
메모리의 어떤 영역은 빠르게 읽히고, 느리게 읽힐텐데 이에 대한 평균 시간(확률)

  • Effective Access Time
    • probability of a page fault = page fault rate
    • T = (1-p)T + pT
    • 유효접근시간 = (1-page fault가 일어날 확률) * 메모리 읽는 데 걸리는 시간 + page fault가 일어나면 걸리는 시간

이 확률이 낮을 수록 좋은 건데 현실적으로는 어떨까?

지역성의 원리(Locality of reference): cpu가 참조하는 주소가 지역에 모아져있다

메모리 접근은 시간적, 공간적 지역성을 가진다. 실제 페이지 부재 확률은 매우 낮다.

  • 시간적 지역성: cpu가 읽은곳을 나중에도 읽을 수가 있다. 코드에는 반복문이 많고, 한번 읽은 애를 또 읽을 확률이 높다.
  • 공간적지역성: 지금 1000번지를 읽으면 나중에도 1000번지에 인접한 구역을 읽는다. 주소만 들고오는게 아니라 블락 단위로 가져온다.

다른방법

HDD는 접근 시간이 너무 길다 > swap device로 부적합
SSD 또는 느린 저가 DRAM 사용한다!

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