[OS] Virtual Memory
사용자 프로그램을 메모리에 연속하지 않게 할당하는 과정에 대해 알아보자.
memory allocation을 하는 방법중에서 non-continuos memory allocation 방법을 알아보자.
Virtual memory
사용자 프로그램을 여러 개의 block으로 분할하는 방법이다. 그리고 해당 프로그램 실행 시, 필요한 block들만 메모리에 적재한다. 나머지 block들은 swap device에 있다. 이러한 기법들 3가지 알아보자.
- paging system
- segmentation system
- hybrid system
먼저 non-continuous allocation의 경우 address mapping에 대해 알아보자. 이전에 continous의 경우와 비슷하게 가상주소와 실제주소가 있다.
- virtual address (= relative address)
- logical address
- 연속된 메모리 할당을 가정한 주소
- real address (= absolute, physical address)
- 실제 메모리에 적재된 주소
사용자/프로세스는 address mapping을 통해 실행 프로그램 전체가 메모리에 연속적으로 적재되었다고 가정하고 실행할 수 있다. 그렇다면 구체적으로 어떤식으로 address mapping을 해서 프로그램이 실행되는지 알아보자. 간단한 방법 중 하나인 block mapping에 대해 알아보자.
Block mapping
- 사용자 프로그램을 block 단위로 분할/관리
- virtual address: $v=(b,d)$
- $b$: 사용자 프로그램의 block number
- $d$: offset in a memory block
- block map table (BMT) 를 통해서 address mapping 정보를 관리
- 아래 그림에서 residence bit는 해당 block이 memory에 올라갔는지 여부를 체크
- 그래서 block number를 확인하고 table에서 residence bit=1이면 real address로 가서 d를 더하면 main memory에 올라간 위치에 도달할 수 있는 것이다
이제 가상메모리를 이용하는 방법들에 대해 알아보자.
Paging system
Paging system은 프로그램을 같은 크기의 block으로 분할하는 방법이다. 여기서 분할된 프로그램 block을 Page라고 한다. 이 방법에서는 메모리도 Page와 동일한 크기로 분할하는데 이 분할영역을 Page Frame이라고 한다. 실제 window에서 성능옵션 -> 고급 에 가보면 페이징에 관련한 내용을 확인할 수 있다.
- 특징
- 논리적 분할이 아니고 크기에 따른 분할 방법이다
- simple
- external fragmentation이 발생하지 않는다 (internal은 발생 가능: 분할을 하다보면 남는 경우가 존재)
그렇다면 이제 Paging system이 Address mapping을 하는 방법을 알아보자. virtual address는 $v=(p,d)$이고 각각 page number, displacement이다. Paging system에서는 PMT(page map table)을 통해 mapping을 한다. mapping하는 방법으로는 3가지가 있다.
- Direct mapping
- Associative mapping
- Hybrid direct/associative mapping
먼제 PMT는 아래와 같은 모습이다. 아래에서 secondary storage address는 swap device에서 page들의 위치를 의미한다.
Direct mapping
- 순서
- 해당 프로세스의 PMT가 저장되어 있는 주소 b에 접근
- 해당 PMT에서 page p에 대한 entry 찾음
- 찾은 entry의 residence bit 검사
- if 0, swap device에서 해당 page를 메모리에 적재하고 PMT를 갱신하고 3-2 수행 (이부분에서 overhead)
- if 1, 해당 entry에서 page frame 번호 p’를 확인
- p’와 d를 사용하여 실제 주소 r 형성
- 실제 주소 r로 주기억장치에 접근
Associative mapping
- TLB 이용
- PMT를 위한 전용기억장치(공간)로 swap device에서 page를 찾을 때, parallel search가 가능해서 엄청 빠르지만 비싸고 운영이 까다롭다
Hybrid direct/associative mapping
Hybrid direct/associative mapping은 direct와 associative 두 가지 방법을 모두 이용하는 방법이다.
- PMT: 메모리에 저장
- direct mapping에서의 단점: 메모리 접근 횟수가 많아서(overhead) 성능저하, PMT를 위한 메모리 공간 필요
- TLB: PMT 중 일부 entry들(최근에 사용된 page들에 대한 entry)을 적재, 이는 locality를 활용하기 위함
- Translation Look-aside Buffer
- associative mapping에서 사용
프로세스의 PMT가 TLB에 적재되어 있는지 확인한다.
- if TLB에 적재되어 있는 경우, residence bit를 검사하고 page frame 번호를 확인
- if TLB에 적재되어 있지 않은 경우, direct mapping으로 page frame 번호를 확인하고 해당 PMT entry를 TLB에 적재
그렇다면 이제 memory management에 대해 알아보자. memory도 page와 같은 크기로 미리 분할(=page frame)하여 관리/사용한다. memory management를 하기 위해서 Frame table을 이용한다.
- Frame table
또한 효율성을 위해 page sharing이라는 것도 할 수 있다. 여러 프로세스가 main memory에 있는 page frame을 공유하는 것이다. 물론 이 때, 문제가 발생하지 않도록 유의(page protection)해야한다.
Segementation system
프로그램을 논리적 block으로 분할하는 방법이다. 따라서 block의 크기가 다 다를 수 있다.
- 특징
- 메모리를 미리 분할하지 않음
- segment sharing/protection이 용이함
- address mapping 및 메모리 관리의 overhead가 큼
- no internal fragmentation, external fragmentation은 발생가능
segmentation system에서도 address mapping은 비슷하다. virtual address v=(s,d)가 있고 SMT(segment map table)를 이용한다. mapping하는 방법은 paging system과 비슷하다.
- segment map table
Hybrid paging/segmentation system
- 프로그램 분할
- 논리 단위의 segment로 분할
- 각 segment를 고정된 크기의 page들로 분할
- page 단위로 메모리에 적재
