[OS] 세그멘테이션(Segmentation)

jh Seo·2026년 3월 10일

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Intro

페이징은 프로세스를 물리적으로 일정한 크기로 나눠 메모리에 할당하는 기법
세그멘테이션은 프로세스를 논리적 내용을 기반으로 나눠 메모리에 배치하는 기법

세그멘테이션

세그멘테이션은 프로세스를 세그먼트(Segment)의 집합으로 만들며, 각 세그먼트의 크기는 일반적으로 같지 않다.
- 프로세스를 code + data + heap + stack 으로 나눈 것도 세그멘테이션이라고 볼 수 있다.
  - 각각 내부에서 더 작은 Segment로 나눌 수 있다.
세그먼트를 메모리에 할당할 때는 페이지를 할당하는 과정과 동일하다.
하지만 테이블의 형태는 다르다
- 세그멘테이션을 위한 테이블은 세그먼트 테이블(Segment Table)이라고 한다.
- 세그먼트 테이블은 세그먼트 번호와 시작 주소(base), 세그먼트 크기(limit 혹은 offset)를 Entry로 갖는다.
  - 구현의 간결함을 위해 세그먼트는 이름 대신 세그먼트 번호(Segment Number)로 구별된다.
세그멘테이션의 주소변환은 페이징과 유사하다.
- 한 가지 주의할 점은 세그먼트는 크기가 일정하지 않기 때문에 테이블에 limit 정보가 주어진다는 것
- CPU에서 해당 세그먼트 크기를 넘어서는 주소가 들어오면 인터럽트가 발생하고 해당 프로세스를 강제로 중단시킨다.

세그먼트 주소 변환 예제

사용자 프로그램이 컴파일된 후 컴파일러는 자동으로 프로그램에 대한 세그먼트를 만든다.
예시 그림
- 위 그림은 세그먼트 테이블과 프로세스가 할당된 메모리의 모습이다.
- 페이징 주소 변환과 동일하게 d는 논리주소와 물리주소가 동일하다.
- 물리 주소 a는 base[s] + d로 계산된다.
  -> 언뜻 보면 2차원 주소로 보이지만, 메모리는 1차원이기 때문에 주소를 변환
  - 논리 주소 (2,100) -> 물리 주소 4400번지 (4300+100)
  - 논리 주소 (1,500) -> 인터럽트로 인해 강제 종료(segment 1의 limit은 400)
  - 즉, d는 반드시 0~ segment limit 사이의 값이여야 한다.

세그멘테이션에서 보호와 공유

세그멘테이션은 페이징이 제공하는 보호/공유 수준보다 더 효율적이라는 장점이 있다.
보호에서는 세그멘테이션 역시 r, w, x 비트를 추가하는데,
세그멘테이션은 프로세스를 논리적으로 나누기 때문에 해당 비트를 설정하기 매우 간단하고 안전하다.
- 페이징은 주소 공간(code+data+heap+stack) 영역이 있을 때 이를 일정한 크기로 나눈다.
  (내부 논리적 분류에 따라 나누는 것이 아님)
  -> 두 영역이 섞일 수 있다. 이 경우 비트 설정하기 매우 까다롭다.
공유에서도 마찬가지, 페이징에서는 code 영역을 나눈다고 해도 다른 영역이 포함될 확률이 매우 높다.
- 하지만 세그멘테이션은 논리적 내용을 기반으로 정확히 code영역을 나눌 수 있기 때문에 더 효율적인 공유를 수행할 수 있다.

세그멘테이션 vs 페이징

세그멘테이션은 페이징과 유사하면서도 보호와 공유에서 더 나은 성능을 보임을 언급했다.
하지만 현재 대부분은 페이징 기법을 사용한다. 세그멘테이션에는 치명적인 단점이 있기 때문이다.

세그멘테이션의 외부단편화 문제

외부 단편화
세그멘테이션은 일정한 크기가 아니라 논리적 내용에 따라 메모리를 분리하기 때문에 각 세그먼트의 크기가 다양하다.
이로 인해 여러 크기의 hole이 발생한다는 것이다.

hole : 프로세스 사이에 할당되지 않은 메모리 공간
어느 hole에 프로세스를 할당할 지를 완전히 해결하는 알고리즘이 존재하지 않고, 따라서 외부 단편화로 인해 메모리 낭비가 발생한다.

페이징의 내부단편화 문제

페이징도 내부 단편화라는 문제가 존재한다.
내부 단편화
프로세스의 크기가 페이지 크기보다 작을 때 차이만큼 메모리가 남지만 해당 메모리를 다른 프로세스가 사용할 수 없는 문제.
그럼에도 페이징을 사용하는 이유
내부 단편화로 낭비되는 공간보다 외부 단편화로 낭비되는 공간이 훨씬 크고, 모든 공간의 크기가 동일해 OS 입장에서 메모리 할당 해제가 훨씬 단순하고 효율적이다.

결론

결론적으로 세그멘테이션은 보호와 공유에서 효율적이지만, 외부 단편화를 완전히 해결할 수 있는 알고리즘이 아직 발견되지 않아
페이징이 주로 사용된다.
-> 장점을 활용하기 위해 페이징을 혼용하는 Paged Segmentation이라는 개념도 존재한다.

Paged Segmentation
: 세그먼트를 페이징 기법으로 나누는 것
-> 프로세스를 여러 개의 논리적 세그먼트로 나누고, 각 세그먼트가 다시 고정된 크기의 페이지들로 분할되어 물리 메모리에 저장

단점
먼저 세그먼트 테이블에 접근하고, 그 후 해당 세그먼트의 페이지 테이블로 접근해야 물리 주소를 알 수 있다.
(따라서 논리 주소는 세그먼트 번호, 페이지 번호, 페이지 크기 총 3가지의 데이터로 구성되어 있다.)
-> 변환 과정이 두 번 필요하기에 복잡성을 증가시키고, 메모리 접근 지연(Latency)을 야기할 수 있다.

정리

구분	세그멘테이션	페이징	페이지화 세그멘테이션
분할 단위	가변 크기(논리적 의미)	고정 크기(기계적 분할)	논리적 분할 후 다시 기계적 분할
단편화 문제	외부 단편화 발생	내부 단편화 발생(미미함)	내부 단편화 발생 가능
장점	보호/공유가 매우 쉬움	메모리 관리 효율성 극대화	두 방식의 장점을 모두 취함
단점	복잡한 메모리 배치 알고리즘	보호/공유 설정이 까다로움	주소 변환이 2단계라 느리다.

레퍼런스

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