Virtual Memory

본 글은 다음 강의를 들으며 정리한 내용입니다.
강의 정보 : 운영체제 / 이화여대 반효경
강의 링크

 

1. Demand Paging

• 실제로 필요할 때 page를 메모리에 올리는 것

  • I/O 양의 감소
  • Memory 사용량 감소
  • 빠른 응답 시간
  • 더 많은 사용자 수용

• Valid / Invalid bit의 사용

  • Invalid의 의미
    • 사용되지 않는 주소 영역인 경우
    • 페이지가 물리적 메모리에 없는 경우
  • 처음에는 모든 page entry가 invalid로 초기화
  • address translation 시에 invalid bit이 set되어 있으면 ➔ page fault

Memory에 없는 Page의 Page Table

1-1. Page Fault

• Invalid page를 접근하면 MMU가 trap을 발생시킴 (page fault trap)

• Kernel mode로 들어가서 page fault handler가 invoke됨

• 다음과 같은 순서로 page fault를 처리한다 :

1. Invalid reference? (ex. bad address, protection violation) ➔ abort process
2. Get an empty page frame (없으면 뺏어온다: replace)
3. 해당 페이지를 disk에서 memory로 읽어온다.
   1. disk I/O가 끝나기까지 이 프로세스는 CPU를 preempt 당함 (block)
   2. Disk read가 끝나면 page tables entry 기록, valid / invalid bit = "valid"
   3. ready queue에 process를 insert ➔ dispatch later
4. 이 프로세스가 CPU를 잡고 다시 running
5. 아까 중단되었던 instruction을 재개

Steps in Handling a Page Fault

1-2. Performance of Demand Paging

• Page Fault Rate 0 ≤ p ≤ 1.0

  • if p = 0 no page faults
  • if p = 1 every reference is a fault

• Effective Access Time
  = (1 - p) x memory access
  + p (OS & HW page fault overhead
  + [swap page out if needed]
  + swap page in
  + OS & HW restart overhead)

1-3. Free frame이 없는 경우

• Page replacement

  • 어떤 frame을 빼앗아올지 결정해야 함
  • 곧바로 사용되지 않을 page를 쫓아내는 것이 좋음
  • 동일한 페이지가 여러 번 메모리에서 쫓겨났다가 다시 들어올 수 있음

• Replacement Algorithm

  • page-fault rate을 최소화하는 것이 목표
  • 알고리즘 평가
    • 주어진 page reference string에 대해 page fault를 얼마나 내는지 조사
  • reference string의 예
    • 1, 2, 3, 4, 1, 2, 5, 1, 2, 3, 4, 5

Page Replacement

 

2. Replacement Algorithm

2-1. Optimal Algorithm

• MIN (OPT) : 가장 먼 미래에 참조되는 page를 replace

• 미래를 예측하는 것을 기반으로 하기 때문에 현실에서는 사실상 불가능 (이 알고리즘을 모델로 알고리즘을 만듦)

• 4 frame example :

• 미래의 참조를 어떻게 아는가?

  • Offline algorithm

• 실제로는 미래를 알 수 없기 때문에 과거를 참조하여 예측할 수 밖에 없다.

• 다른 알고리즘의 성능에 대한 upper bound 제공

  • Belady's optimal algorithm, MIN, OPT 등으로 불림

2-2. FIFO(First In First Out) Algorithm

• FIFO : 먼저 들어온 것을 먼저 내쫓음

• FIFO Anomaly (Belady's Anomaly)
  • more frames ➔ less page faults
  • 메모리 frame을 늘려줬는데 성능은 저하

2-3. LRU(Least Recently Used) Algorithm

• LRU : 가장 오래 전에 참조된 것을 지움

2-4. LFU(Least Frequently Used) Algorithm

• LFU : 참조 횟수(reference count)가 가정 적은 페이지를 지움

• 최저 참조 횟수인 page가 여럿 있는 경우

  • LFU 알고리즘 자체에서는 여러 page 중 임의로 선정한다.
  • 성능 향상을 위해 가장 오래 전에 참조된 page를 지우게 구현할 수도 있다.

• 장단점

  • LRU처럼 직전 참조 시점만 보는 것이 아니라 장기적인 시간 규모를 보기 때문에 page의 인기도를 좀 더 정확히 반영할 수 있음
  • 참조 시점의 최근성을 반영하지 못함
  • LRU보다 구현이 복잡함

2-5. LRU와 LFU Algorithm 비교

예제 :

구현 :

2-6. Paging System에서 LRU, LFU 가능한가?

사실상 LRU, LFU Algorithm은 메모리에 이미 있는 page에 대해서는 운영체제한테 CPU가 넘어오지 않기 때문에 운영체제는 어떤 page가 가장 최근에 참조되었는지 어떤 page가 가장 많이 참조되었는지 등을 알 수 없다. 따라서 LRU, LFU Algorithm은 paging system 즉, virtual memory system에서는 사용을 할 수가 없다. 대신 Buffer caching이나 Web caching 같은 곳에서는 활용이 될 수가 있다. 그래서 paging system에서는 어떤 것을 쫓아내야할지 결정하기 위해서 다음 알고리즘을 사용한다.

2-7. Clock Algorithm

• LRU의 근사(approximation) 알고리즘

• 여러 명칭으로 불림

  • Second chance algorithm
  • NUR(Not Used Recently) 또는 NRU(Not Recently Used)

• Reference bit을 사용해서 교체 대상 페이지 선정 (circular list)

• Reference bit가 0인 것을 찾을 때까지 포인터를 하나씩 앞으로 이동

• 포인터 이동하는 중에 reference bit 1은 모두 0으로 바꿈

• Reference bit이 0인 것을 찾으면 그 페이지를 교체

• 한 바퀴 되돌아와서도(=second chance) 0이면 그때에는 replace 당함

• 자주 사용되는 페이지라면 second chance가 올 때 1

• Clock algorithm의 개선

  • Reference bit과 modified bit(dirty bit)을 함께 사용
  • Reference bit = 1 : 최근에 참조된 페이지
  • Reference bit = 1 : 최근에 변경된 페이지 (I/O를 동반하는 페이지)

 

3. 다양한 캐슁 환경

• 캐슁 기법

  • 한정된 빠른 공간(=캐쉬)에 요청된 데이터를 저정해 두었다가 후속 요청 시 캐쉬로부터 직접 서비스하는 방식
  • Paging system 외에도 cache memory, buffer memory, Web caching 등 다양한 분야에서 사용

• 캐쉬 운영의 시간 제약

  • 교체 알고리즘에서 삭제할 항목을 결정하는 일에 지나치게 많은 시간이 걸리는 경우 실제 시스템에서 사용할 수 없음
  • Buffer caching이나 Web caching의 경우
    • O(1)에서 O(log n) 정도까지 허용
  • Paging system인 경우
    • page fault인 경우에만 OS가 관여함
    • 페이지가 이미 메모리에 존재하는 경우 참조시각 등의 정보를 OS가 알 수 없음
    • O(1)인 LRU의 list 조작조차 불가능

 

4. Page Frame의 Allocation

• Allocation Problem

  • 각 process에 얼마만큼의 page frame을 할당할 것인가?

• Allocation의 필요성

  • 메모리 참조 명령어 수행 시 명령어, 데이터 등 여러 페이지 동시 참조
    • 명령어 수행을 위해 최소한 할당되어야 하는 frame의 수치가 있음
  • Loop를 구성하는 page들은 한꺼번에 allocate 되는 것이 유리함
    • 최소한의 allocation이 없으면 매 loop 마다 page fault

• Allocation Scheme

  • Equal allocation : 모든 프로세스에 똑같은 갯수 할당
  • Proportional allocation : 프로세스 크기에 비례하여 할당
  • Priority allocation : 프로세스의 priority에 따라 다르게 할당

4-1. Global vs Local Replacement

• Global replacement

  • Replace 시 다른 process에 할당된 frame을 빼앗아 올 수 있음
  • Process 별 할당량을 조절하는 또 다른 방법임
  • FIFO, LRU, LFU 등의 알고리즘을 global replacement로 사용 시에 해당
  • Working set, PFF 알고리즘 사용

• Local replacement

  • 자신에게 할당된 frame 내에서만 replacement
  • FIFO, LRU, LFU 등의 알고리즘을 process 별로 운영 시

 

5. Thrashing

• 프로세스의 원활한 수행에 필요한 최소한의 page frame 수를 할당 받지 못한 경우 발생

• Page fault rate이 매우 높아짐

• CPU utilization이 낮아짐

• OS는 MPD(Multiprogramming degree)를 높여야 한다고 판단

• 또 다른 프로세스가 시스템에 추가됨 (higher MPD)

• 프로세스 당 할당된 frame의 수가 더욱 감소

• 프로세스는 page의 swap in / swap out으로 매우 바쁨

• 대부분의 시간에 CPU는 한가함

• low throughput

Thrashing Diagram

Thrashing 현상을 막기 위해서는 multiprogramming degree(동시에 올라가있는 프로세스의 갯수)를 조절해 주어야 한다. 다음에 나오는 알고리즘은 이것을 가능하게 해주는 알고리즘이다.

5-1. Working-Set Model

• Locality of reference

  • 프로세스는 특정 시간 동안 일정 장소들만을 집중적으로 참조한다.
  • 집중적으로 참조되는 해당 page들의 집합을 locality set이라고 한다.

• Working-Set Model

  • Locality에 기반하여 프로세스가 일정 시간 동안 원활하게 수행되기 위해 한꺼번에 메모리에 올라와 있어야 하는 page들의 집합을 Working set이라 정의한다.
  • Working Set Model에서는 process의 working set 전체가 메모리에 올라와 있어야 수행되고 그렇지 않을 경우 모든 frame을 반납한 후 swap out (suspend)
  • Thrashing을 방지함
  • Multiprogramming degree를 결정함

5-2. Working-Set Algorithm

• Working set의 결정
  • Working set window를 통해 알아냄 (과거 참조)
  • Window size가 Δ인 경우
    • 시각 ti에서의 working set WS (ti)
      • Time interval [ti - Δ, ti2] 사이에 참조된 서로 다른 페이지들의 집합
    • Working set에 속한 page는 메모리에 유지, 속하지 않는 것은 버린다. 즉, 참조된 후 Δ시간 동안 해당 page를 메모리에 유지한 후 버린다.

• Working-Set Algorithm

  • Process들의 working set size의 합이 page frame의 수보다 큰 경우 일부 process를 swap out시켜 남은 process의 working set을 우선적으로 충족시켜준다. (MPD를 줄임)
  • Working set을 다 할당하고도 page frame이 남는 경우 swap out 되었던 process에게 working set을 할당한다. (MPD를 키움)

• Window size Δ

  • Working set을 제대로 탐지하기 위해서는 window size를 잘 결정해야 함
  • Δ 값이 너무 작으면 locality set을 모두 수용하지 못할 우려
  • Δ 값이 크면 여러 규모의 locality set 수용
  • Δ 값이 ∞이면 전체 프로그램을 구성하는 page를 working set으로 간주

5-3. PFF(Page-Fault Frequency) Scheme

• Page-fault rate의 상한값과 하한값을 둔다.

  • Page fault rate이 상한값을 넘으면 frame을 더 할당한다.
  • Page fault rate이 하한값 이하이면 할당 frame 수를 줄인다.

• 빈 frame이 없으면 일부 process를 swap out

 

6. Page Size의 결정

• Page size를 감소시키면

  • 페이지 수 증가
  • 페이지 테이블 크기 증가
  • Internal fragmentation 감소
  • Disk transfer의 효율성 감소
    • Seek/Rotation vs Transfer
  • 필요한 정보만 메모리에 올라와 메모리 이용이 효율적
    • Locality의 활용 측면에서는 좋지 않음

• 최신 trend

  • Larger page size