Chapter14 가상 메모리

1 연속 메모리 할당

2 페이징을 통한 가상 메모리 관리

3. 페이지 교체와 프레임 할당

가상 메모리는 물리 메모리보다 큰 프로그램을 실행할 수 있도록 해 주지만, 현실적으로 물리 메모리의 크기는 제한적입니다.
따라서 운영체제는 프로세스들이 제한된 메모리를 효율적으로 사용할 수 있도록, 불필요한 페이지는 제거하고, 필요한 페이지만 메모리에 적재하는 방식으로 관리해야 합니다.

또한 각 프로세스가 사용할 수 있는 **프레임(Frame)**의 수를 적절히 조절해야, 시스템 전체 성능을 저하시키지 않고 안정적으로 운영할 수 있습니다.

요구 페이징(Demand Paging)

요구 페이징은 프로그램을 실행할 때, 처음부터 모든 페이지를 메모리에 올리지 않고, CPU가 접근하는 시점에 필요한 페이지만 메모리에 적재하는 기법입니다.

동작 과정

CPU가 명령어를 수행하며 특정 페이지를 요청
해당 페이지가 메모리에 있으면 → 정상적으로 접근
페이지가 없으면 → 페이지 폴트(Page Fault) 발생
운영체제가 디스크에서 해당 페이지를 메모리로 로드
페이지 테이블을 갱신하고 명령을 재실행

순수 요구 페이징(Pure Demand Paging)

시작 시 아무 페이지도 메모리에 적재하지 않음
첫 명령어 실행 시점부터 연속적인 페이지 폴트가 발생
초기에 느릴 수 있으나, 불필요한 페이지를 적재하지 않음으로써 메모리 효율 향상

요구 페이징은 메모리를 절약할 수 있다는 장점이 있지만, 메모리가 가득 찬 상황에서는 새로운 페이지를 넣기 위해 기존 페이지를 제거해야 하므로, 이때 어떤 페이지를 제거할지를 결정하는 페이지 교체 알고리즘이 필요합니다.

페이지 교체 알고리즘(Page Replacement Algorithm)

페이지 교체 알고리즘은 메모리가 가득 찬 상태에서 어떤 페이지를 제거할지 결정하는 방식입니다.

좋은 알고리즘은 다음 조건을 만족해야 합니다:

페이지 폴트 수를 최소화할 수 있어야 함
구현이 효율적이고, 과도한 오버헤드를 발생시키지 않아야 함

**성능 평가는 페이지 참조열(reference string)**과 페이지 폴트 횟수를 통해 비교합니다.

FIFO (First-In First-Out)

가장 먼저 메모리에 들어온 페이지를 가장 먼저 제거
큐(Queue) 구조로 간단하게 구현 가능
단점: 최근 사용 여부를 고려하지 않음
성능이 떨어질 수 있음 (예: Belady의 모순 현상)

예시
참조열: 2 3 1 3 5 2 4 2 3
프레임 수: 3 → 페이지 폴트 수: 6회

2차 기회 알고리즘 (Second-Chance)

FIFO의 개선 버전
페이지마다 **참조 비트(Reference Bit)**를 두어, 교체 전에 확인
참조 비트가 1이면 → 0으로 초기화하고 페이지를 큐 뒤로 이동 (기회 한 번 더 줌)
자주 사용된 페이지는 제거되지 않음

최적 페이지 교체 (Optimal Replacement)

앞으로 가장 오랫동안 사용되지 않을 페이지를 제거
페이지 폴트 수가 이론적으로 가장 적음 → 비교 기준으로 사용됨
단점: 미래의 참조를 알 수 없기 때문에 실제 구현 불가

LRU (Least Recently Used)

가장 오랫동안 사용되지 않은 페이지를 제거
최근 사용 이력을 바탕으로 판단
실제 시스템에서도 많이 사용됨
구현 방식: 타임스탬프 방식, 스택 방식 등

예시
참조열: 2 3 1 3 5 2 4 2 3
프레임 수: 3 → 페이지 폴트 수: 3회

스레싱(Thrashing)

스레싱은 페이지 폴트가 과도하게 발생하여, CPU가 실질적인 작업보다 계속해서 페이지 교체 작업만 수행하는 비정상적인 상태입니다.

특징

CPU 사용률 급격히 감소
페이지 폴트율 급증
시스템 전체 응답 지연, 성능 급락

발생 원인

각 프로세스에 할당된 프레임 수가 너무 적은 경우
너무 많은 프로세스가 동시에 실행되는 경우 (과도한 멀티프로그래밍)

스레싱을 방지하려면 프레임을 적절히 할당해야 하며, 이를 위해 다음과 같은 프레임 할당 전략이 사용됩니다.

프레임 할당 방식

균등 할당 (Equal Allocation)

모든 프로세스에 동일한 수의 프레임을 분배
구현이 단순하고 공정성 확보 가능
하지만 프로세스의 크기나 메모리 요구량을 반영하지 못함

비례 할당 (Proportional Allocation)

프로세스의 크기나 요구 메모리에 비례하여 프레임을 할당
자원을 보다 효율적으로 분배할 수 있음

작업 집합 모델 (Working Set Model)

**최근 일정 시간 동안 사용된 페이지 집합(작업 집합)**을 기준으로 프레임을 동적으로 조절
사용하지 않는 페이지는 제거하고, 자주 쓰는 페이지에 프레임을 집중
스레싱 방지에 효과적

정리

요구 페이징은 가상 메모리의 효율성을 높이기 위한 핵심 기법이며, 페이지 교체 알고리즘과 함께 사용됨
FIFO, LRU, Optimal 등 다양한 교체 방식은 상황에 따라 성능 차이가 큼
스레싱은 프레임 부족이 원인이며, 적절한 프레임 할당 정책으로 완화 가능
실제 운영체제는 LRU의 변형, 2차 기회 알고리즘, 작업 집합 모델 등을 조합하여 사용

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