[핵심 답변]
가상 메모리(virtual memory)란 process 전체가 메모리에 올라오지 않더라도 실행이 가능하도록 하는 기법입니다. 가상 메모리 기법을 통해 사용자 프로그램이 물리적 메모리보다 커져도 실행이 가능하다는 장점이 있습니다.
[면접 
TIP]
TIP]운영체제에서 메모리 관련된 면접문제는 이 안에서 다 나온다고 생각하시면 됩니다. 실제 우리가 사용하고 있는 운영체제에서는 가상메모리를 사용하고 있기 때문에 가상메모리를 이해하는 것은 개발자에게 중요합니다. 운영체제에 의해서 메모리 관리가 어떻게 이뤄지고 있는지, 가상메모리가 무엇인지, page fault는 무엇이고 page 교체 알고리즘에는 어떤 것들이 있는지 잘 이해하시기 바랍니다.
가상메모리(virtual memory)
가상메모리는 실제의 물리 메모리 개념과 개발자 입장의 논리 메모리 개념을 분리한 것입니다. 이렇게 함으로써 개발자가 메모리 크기에 관련한 문제를 염려할 필요 없이 쉽게 프로그램을 작성할 수 있게 해줍니다.
운영체제는 가상 메모리 기법을 통해 프로그램의 논리적주소 영역에서 필요한 부분만 물리적 메모리에 적재하고, 직접적으로 필요하지 않은 메모리 공간은 디스크(Swap 영역)에 저장하게 됩니다.
요구 페이징(demand paging)
당장 사용될 주소 공간을 page 단위로 메모리에 적재하는 방법을 요구 페이징(demand paging)이라고 합니다. 요구 페이징 기법에서는 특정 page에 대해 cpu의 요청이 들어온 후에 해당 page를 메모리에 적재합니다. 당장 실행에 필요한 page만을 메모리에 적재하기 때문에 메모리 사용량이 감소하고, 프로세스 전체를 메모리에 적재하는 입출력 오버헤드도 감소하는 장점이 있습니다.
요구 페이징 기법에서는 유효/무효 비트(valid/invalid bit)를 두어 각 page가 메모리에 존재하는지 표시하게 됩니다.
Page fault
CPU가 무효 비트(invalid bit)로 표시된 page에 엑세스하는 상황을 page fault라고 합니다.
CPU가 무효 page에 접근하면 주소 변환을 담당하는 하드웨어인 MMU가 page fault trap을 발생시키게 되고, 다음과 같은 순서로 page fault를 처리하게 됩니다.
1.
CPU가 페이지 N을 참조합니다.
2.
Page table에서 페이지 N이 무효 상태임을 확인합니다.
3.
MMU에서 Page fault trap이 발생시킵니다.
4.
디스크에서 페이지 N을 빈 프레임에 적재하고 page table을 업데이트합니다.(invalid→ valid)
page fault 처리 과정
page 교체 알고리즘(replacement algorithm)
page fault가 발생하면, 요청된 page를 디스크에서 메모리로 가져옵니다. 이 때, 물리적 메모리에 공간이 부족할 수 있습니다. 그럴 경우에는 메모리에 올라와 있는 page를 디스크로 옮겨서 메모리 공간을 확보해야 합니다. 이것을 페이지 교체(page replacement)라고 하고, 어떤 page를 교체할 것이냐를 결정하는 알고리즘이 page교체 알고리즘(replacement algorithm)입니다.
교체 알고리즘은 최대한 page fault가 적게 일어나도록 도와줘야 합니다. 따라서 앞으로 참조될 가능성이 적은 page를 선택해서 교체하는 것이 성능을 향상시키는 방법입니다.
알고리즘 | 설명 |
FIFO(First In First Out) | 메모리에 올라온지 가장 오래된 page를 교체한다. |
최적 페이지 교체 | 앞으로 가장 오랫동안 사용되지 않을 page를 찾아 교체한다. 실제구현은 어렵다 |
LRU(Least Recently Used) | 가장 오랫동안 사용되지 않은 page를 교체한다. |
LFU(Least Frequently Used) | 참조 횟수가 가장 적은 page를 교체한다. 비용대비 성능이 좋지 않아 잘 쓰이진 않는다. |
[꼬꼬무 문답]
Q. 요구페이징(demand paging)이란 무엇인가요?
Q. 페이지 교체 알고리즘(replacement algorithm)을 아는대로 말씀해주세요.
Q. LRU알고리즘과 LFU 알고리즘을 비교 설명해 주세요.