[OS-12] 가상 기억장치 관리 전략

1. 가상 기억장치 개요

• 가상 기억장치는 보조기억장치의 일부를 주기억장치처럼 사용하는 것으로, 용량이 적은 주기억장치를 마치 큰 용량을 가진 것처럼 사용하는 기법
• 프로그램을 여러 개의 작은 블록 단위로 나누어서 보관해 놓고, 프로그램 실행 시 요구되는 블록만 주기억장치에 불연속적으로 할당하여 처리
• 주기억장치의 크기보다 큰 프로그램을 실행하기 위해 사용
• 주기억장치의 이용률과 다중 프로그램의 효율을 높일 수 있음
• 가상 기억장치에 저장된 프로그램을 실행하기 위해서 가상 기억장치의 주소를 주기억장치의 주소로 바꾸는 주소 변환(Mapping) 작업이 필요함
• 블록 단위로 사용하기 때문에 연속 할당 방식에서 발생할 수 있는 단편화를 해결
• 페이징 기법과 세그먼테이션 기법으로 나눔
• 운영체제의 설계가 복잡해짐
• 오버레이 문제는 자동으로 해결됨

2. 페이징(Paging) 기법

• 가상 기억장치에 보관되어 있는 프로그램과 주기억장치의 영역을 동일한 크기로 나눈 후 나눠진 프로그램(페이지)을 동일하게 나눠진 주기억장치의 영역(페이지 프레임)에 적재시켜 실행하는 기법
• 프로그램을 일정한 크기로 나눈 단위를 페이지(Page)라고 하고, 페이지 크기로 일정하게 나누어진 주기억장치의 단위를 페이지 프레임(Page Frame)이라 함
• 외부 단편화는 발생하지 않으나 내부 단편화는 발생할 수 있음
• 주소 변환을 위해서 페이지 맵핑 테이블이 필요

3. 세그먼테이션(Segmentation) 기법

• 가상 기억장치에 보관되어 있는 프로그램을 다양한 크기의 논리적인 단위로 나눈 후 주기억장치에 적재시켜 실행시키는 기법
• 프로그램을 배열이나 함수 등과 같은 논리적인 크기로 나눈 단위를 세그먼트라고 하며, 각 세그먼트는 고유한 이름과 크기를 가짐
• 세그먼테이션 기법을 이용하는 궁극적인 이유는 기억 공간을 절약하기 위함
• 세그먼트가 주기억장치에 적재될 때 다른 세그먼트에게 할당된 영역을 침범할 수 없으며, 이를 위해 기억장치 보호키(Storage Protection Key)가 필요
• 외부 단편화가 발생할 수 있음

- 세그먼테이션 기법 주소 변환 순서

• 가상 주소의 변위 값과 세그먼트의 크기를 비교
• 변위 값이 작거나 같으면 기준 번지와 변위 값을 더하여 실기억 주소를 만들어 주기억장치에 접근
• 변위 값이 크면 다른 영역을 침범하게 되므로 실행 권한을 운영체제에 넘기고 트랩을 발생시킴
• 아래와 같은 세그먼트 테이블이 있을 때 (단, 가상 주소=s(2, 100))

• 실제주소는 2100 이 됨

3. 가상 기억장치의 기타 관리 사항

- 페이지 크기가 작을 경우

• 페이지 단편화가 감소되고, 한 개의 페이지를 주기억장치로 이동하는 시간이 줄어듦
• 프로그램 수행에 필요한 내용만 주기억장치에 적재할 수 있고, 지역성(Locality)에 더 일치할 수 있기 때문에 기억장치 효율이 높아짐
• 페이지 정보를 갖는 페이지 맵 테이블의 크기가 커지고, 맵핑 속도가 늦어짐
• 디스크 접근 횟수가 많아져서 전체적인 입/출력 시간은 늘어남
• 더 많은 페이지가 존재하며, 우수한 working set을 가질 수 있음

- 페이지 크기가 클 경우

• 페이지 정보를 갖는 페이지 맵 테이블의 크기가 작아지고, 맵핑 속도가 빨라짐
• 디스크 접근 횟수가 줄어들어 전체적인 입/출력의 효율성이 증가됨
• 페이지 단편화가 증가되고, 한 개의 페이지를 주기억장치로 이동하는 시간이 늘어남
• 프로그램 수행에 불필요한 내용까지도 주기억장치에 적재될 수 있음

- 구역성(Locality)

• 프로세스가 실행되는 동안 주기억장치를 참조할 때 일부 페이지만 집중적으로 참조하는 성질이 있다는 이론 
• 스래싱을 방지하기 위한 워킹 셋 이론의 기반이 됨
• Denning 교수에 의해 구역성의 개념이 증명되었으며 캐시 메모리 시스템의 이론적 근거가 됨

- 구역성(Locality)의 종류

• 시간 구역성 : 프로세스가 실행되면서 하나의 페이지를 일정 시간 동안 집중적으로 액세스 하는 현상으로 반복(Loop), 스택(Stack), 부프로그램(Subroutine), Counting, 집계(Totaling) 등이 있음
• 공간 구역성 : 프로세스 실행 시 일정 위치의 페이지를 집중적으로 액세스 하는 현상
• 공간 구역성에는 배열 순례, 순차적 코드의 실행이 있음

- 워킹 셋(Working Set)

• 프로세스가 일정 시간 동안 자주 참조하는 페이지들의 집합
• 자주 참조되는 워킹 셋을 주기억장치에 상주시킴으로써 페이지 부재 및 페이지 교체 현상을 줄임
• Denning이 제안한 프로그램의 움직임에 관한 모델

- 스래싱(Thrashing)

• 너무 자주 페이지 교환이 발생하여 어떤 프로세스가 프로그램 수행에 소요되는 시간보다 페이지 교환에 소요되는 시간이 더 많은 현상
• 다중 프로그래밍 시스템이나 가상 기억장치를 사용하는 시스템에서 하나의 프로세스 수행과정 중 자주 페이지 부재가 발생함으로 나타나는 현상으로 전체 시스템의 성능이 저하됨
• 다중 프로그래밍의 정도가 높아짐에 따라 CPU의 이용률은 어느 특정 시점까지는 높아지지만, 다중 프로그래밍의 정도가 더욱 커지면 스래싱이 나타나고, CPU의 이용률은 급격히 감소됨

• 페이지 부재율이 크면 스래싱이 많이 일어남
• 프로세스들이 워킹 셋(Working set)을 확보하지 못한 결과임

- 스래싱 현상 해결 방법

• 부족한 자원을 증설
• 일부 프로세스를 중단
• CPU 이용률을 높인다
• 페이지 부재율을 조절하여 대처함
• Working set 방법을 사용
• 일부 낮은 우선순위의 프로세스를 중단시킴
• 성능 자료의 지속적 관리 및 분석으로 임계치를 예상하여 운영

- 페이지 부재(Page Fault)

• 프로세스 실행 시 참조할 페이지가 주기억장치에 없는 현상을 의미
• 페이지 부재가 일어나는 횟수를 페이지 부재 빈도라고 함
• 페이지 부재율(Page Fault Rate)에 따라 주기억장치에 있는 페이지 프레임의 수를 늘리거나 줄여 페이지 부재율을 적정 수준으로 유지
• 페이지 테이블을 재조정한다.
• 명령어 수행을 계속함

- 페이지 부재를 처리하는 순서

• 운영체제에서 트랩을 요청
• 사용자 레지스터와 프로그램 상태를 저장
• 사용 가능한 프레임을 프레임 리스트에서 찾음
• backing store에 있는 페이지를 물리적 메모리로 가져옴