가상메모리를 이해하기 위해서 알아야 할 사전 배경 지식

컴퓨터 구조

CPU가 연산을 하려면 메모리의 값을 참조해야한다.

• 레지스터 값 참조 → 용량이 작으면 → 메인메모리 값 참조 → 용량이 작으면 → 보조저장장치의 값 참조
• CPU는 메인메모리까지의 값만 참조할 수 있기 때문에 보조저장자치의 값을 참조하려면 OS의 도움을 받아서 입출력 작업을 진행한다.

레지스터
매우 빠르지만 용량이 매우 작음

메인 메모리
빠르지만 용량이 작고, 휘발성의 특징을 가짐

외부저장장치(DISK)
느리지만 용량이 크고, 비 휘발성의 특징을 가짐

용어 정리

• main memory == physical memory == 물리 메모리 == (메모리)
• 외부저장장치 == 보조저장장치 == DISK
• 운영체제 == OS == Operating System == (커널)
• IO작업 == 입출력 작업

프로그램이 실행되는 것이란?

- 프로그램이 실행되는 것이란 CPU가 일을 하는 것

CPU가 일을 하기위해서는 프로그램의 정보가 메모리에 올라와야 한다.

• 일반적으로 프로그램은 DISK에 이진 실행 파일 형식으로 존재
• 프로그램을 실행하면 해당 이진 실행 파일이 물리메모리에 올라옴
  - 실행되기 위해서는 프로그램의 정보가 CPU가 참조할 수 있는 형태로 물리메모리에 올라가야 함
  • 실행파일을 실행하면 fork 요청으로 새 프로세스를 생성하고 exec 요청으로 로더를 호출
  • 로더는 새로 생성된 프로세스의 주소공간을 사용하여 지정된 실행 파일을 메모리에 올리는 데 사용
• 프로그램을 실행하면 디스크에 존재하던 실행파일이 메모리에 올라오고 CPU가 해당 정보를 참조할 수 있게 되는 것
  
  
  

주소바인딩

• CPU가 일을 하기 위해서는 논리 주소가 메인 메모리상에 올라와 있어야 한다.
• 논리 주소가 물리적 메모리의 특정위치로 맵핑 되는데 이 작업을 주소바인딩이라고 한다.
• 주소 바인딩 방식 (물리적 메모리 주소가 결정되는 시기에 따라)
  - 컴파일 바인딩
  - 로드 타임 바인딩
  - 실행 시간 바인딩
• 가상 메모리를 사용하기 위해서는 실행 시간 바인딩이 지원되어야 한다.
  - 실행 시간 바인딩을 사용하면, 논리주소와 물리주소의 값이 달라지게 됨
  - 실행시간 바인딩을 하기 위해서 CPU가 주소를 참조할 때 마다 주소 매핑 테이블 이용해 바인딩을 점검이 필요한데, 그러기 위해서는 메모리 관리 장치(MMU) 라는 하드웨의 지원이 필요

용어 정리

• 논리주소 : CPU가 생성하는 주소
• 물리주소 : 메모리가 취급하는 주소

시분할 방식

• CPU가 한 개라고 가정했을 때, 일할 수 있는 자원은 한 개 이지만, 마치 여러 개의 프로그램을 동시에 실행되는 것처럼 실행
• CPU가 짧은 시간 단위로 프로세스를 바꿔가며 사용하는 것
  
  
  

스왑영역

• 여러 개의 프로그램이 메모리에 올라와서 메모리 공간이 부족해지면 스왑 영역을 사용
• 스왑 공간은 외부저장장치에 존재하지만 물리메모리의 확장개념
• 물리메모리에 공간이 부족하기 때문에 실행중인 프로세스의 주소 공간을 일시적으로 디스크로 내려놓는 것
• 스왑 영역은 디스크에 존재하지만, 파일 시스템과는 별도로 존재
  - 메모리에서 스왑 영역으로의 이동을 Swap In, Swap Out이라고 함
  - 스왑 영역도 외부저장장치에 저장하기 때문에 OS에 의해 I/O작업이 일어남
  - 하지만 공간 효율성보다는 시간효율성을 고려한 저장이 일어나서 일반적으로 파일시스템에 접근하는 것보다 빠른 접근이 가능
  
  
  

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가상메모리

메모리 관리 기법중 하나로, 프로세스 전체가 메모리 내에 올라오지 않더라도 실행이 가능하도록 하는 기법

가상메모리의 장점

• 사용자 프로그램이 물리 메모리의 제약에서 벗어남
  - 사용자 프로그램이 물리 메모리보다 커져도 됨

  • 프로그래머는 물리 메모리 크기를 신경쓰지 않아도 되기 때문에 실제 해결하고자 하는 문제에 집중 가능

• 각 프로그램이 더 작은 메모리르 차지하기 때문에 더 많은 프로그램을 동시수행 가능(한 것처럼 보임)
  - 프로세스 당 메모리 사용량이 감소하고, 더 많은 프로세스를 수용가능

  • 응답시간(response time, turn around time)은 느지 않으면서 CPU 이용률과 처리률이 높아짐

• 프로그램을 메모리에 올리고 swap하는데 필요한 IO 횟수가 줄어듦
  - IO가 적게 일어나므로 더 빨리 실행 가능
  
  
  

가상메모리가 필요한 이유

• 물리 메모리에 다른 프로세스를 올려야 해서 공간이 부족해진다면, 기존 프로세스를 스왑 영역으로 내쫓고 필요한 프로세스가 물리 메모리에 올라와야 함 → 이러한 방법은 빈번하게 스왑영역과 I/O가 발생할 것
• 물리 메모리의 크기를 벗어나는 프로세스라면 실행 조차 불가능
  
  
  

요구 페이징 기법(Demand Paging)

• 가상 메모리를 사용하면 프로세서 전체의 내용을 메모리에 올릴 필요없이 필요한 부분만 메모리에 올려 실행이 가능한데, 필요한 부분만 올리는 방법을 요구 페이징 기법이라고 한다.