[정보처리기사 실기] 가상 기억 장치 (Virtual Memory)

Virtual Memory(가상기억장치)

보조기억장치의 일부를 주기억장치처럼 사용하는 것. 주기억장치를 마치 큰 용량을 가진 것처럼 사용할 수 있다.

• 프로그램을 여러 개의 작은 블록 단위로 나누어서 가상기억장치에 보관해놓고, 프로그램 실행 시 요구되는 블록만 주기억장치에 불연속적으로 할당
• 주기억 장치의 이용률 ↑ , 다중 프로그래밍 효율 ↑
• 블록 단위로 나누어 사용 → 연속 할당 방식에서 발생할 수 있는 단편화를 해결할 수 있음

 

Paging(페이징) 기법

가상기억장치 내의 프로그램과 주기억장치 영역을 동일한 크기로 나눈 후, 분할된 프로그램을 분할된 주기억장치영역에 적재시켜 시행

• Page (페이지) : 프로그램을 일정한 크기로 나눈 단위
• Page Frame : 페이지 크기로 일정하게 나누어진 주기억장치의 단위
• 외부단편화를 해결할 수 있으나 내부 단편화는 발생할 수 있다.
• 페이지-프레임 대응을 위해 page mapping 필요 → Page Map Table 생성(Page의 위치 정보)
• Page Map Table → 비용 증가, 처리속도 감소

 

Segmentation(세그먼테이션) 기법

가상기억장치 내의 프로그램을 다양한 크기의 논리적 단위로 나눈 후 주기억장치에 적재시켜 시행

• Segment (세그먼트) : 프로그램을 배열이나 함수 등과 같은 논리적 크기로 나눈 단위
• 각 세그먼트는 고유한 이름과 크기를 갖느다
• 사용하는 궁극적인 이유 : 기억공간을 절약하기 위해서
• 세그먼트와 프레임 대응을 위해 mapping 필요 → Segment Map Table 생성 (세그먼트의 위치 정보)
• 내부단편화를 해결할 수 있으나 외부 단편화는 발생할 수 있다.

 

Fragmentation (단편화)

즉, 주기억장치 상에서 빈번한 기억장소 할당/반납에 따라 기억장소들이 조각으로 나뉘는 현상 → 사용되지 않는 빈 조각들 생성

1. External Fragmentation(외부 단편화)

메모리 할당시 프로세스의 크기에 비해 총 메모리 공간은 충분하지만 중간 중간 빈 공간으로 인해 실제로는 할당할 수 없는 상황 발생

• 해결책 1 : Garbage Collection
  • compaction(압축)을 통해 단편화된 free space를 하나의 큰 free space로 만드는 방법
  • 단점 : 대체적으로 시간이나 다른 자원이 많이 든다
• 해결책 2 : Paging

2. Internal Fragmentation (내부 단편화)

메모리 할당 시 프로세스가 필요한 양보다 더 큰 메모리 공간이 할당되어서 메모리 공간이 낭비되는 상황

• 해결책 : Segmentation

 

Page 크기

페이징 기법을 사용하면 프로그램을 페이지 단위로 나누게 되는데, 페이지 크기에 따라 시스템에 미치는 영향이 다르다

페이지 크기가 작을 경우

• 페이지 단편화가 감소
• 한 개의 페이지를 주기억장치로 이동시키는 시간 감소
• 불필요한 내용이 주기억장치에 적재될

페이지 크기가 클 경우

• 페이지 맵 테이블의 크기가 작아지고, 매핑 속도가 빨라짐
• 디스크 접근 횟수가 줄어들어 전체적인 입, 출력의 효율성이 증가됨
• 페이지 단편화가 증가
• 한 페이지를 주기억장치로 이동시키는 시간 증가됨

 

Locality

프로세스가 실행되는 동안 주기억장치를 참조할 때, 일부 페이지만 집중적으로 참조하는 성질이 있다는 이론

• 스레싱을 방지하기 위한 워킹 셋 이론의 기반이 됨
• 가상기억장치 관리와 캐시 메모리 시스템의 이론적인 근거
• 데닝(Denning)교수에 의해 개념이 증명됨

종류

• 시간 구역성(Temporal Locality) : 프로세스가 실행되면서 하나의 페이지를 일정 시간 동안 집중적으로 액세스하는 현상
• 공간 구역성(Spatial Locality) : 프로세스 실행 시 일정 위치의 페이지를 집중적으로 액세스하는 현상

 

Working Set(워킹 셋)

프로세스가 일정 시간 동안 자주 참조하는 페이지들의 집합

• Denning이 제안한 프로그램의 움직임에 대한 모델
• 프로그램의 Locality 특징 이용
• 자주 참조되는 워킹 셋을 주기억장치에 상주시킴 → 페이지 부재 및 페이지 교체 현상이 줄어들어 프로세스의 기억장치 사용이 안정된다.

 

Thrashing (스래싱)

프로세스의 처리 시간보다 페이지 교체에 소요되는 시간이 더 많아지는 현상

• 다중 프로그래밍 시스템/가상기억장치를 사용하는 시스템에서, 한 프로세스 수행 과정 중 자주 Page Fault(페이지 부재)가 발생 ⇒ 스래싱 발생
• ⇒ 전체 시스템의 성능 저하
• 다중 프로그래밍의 정도 ↑ ⇒ CPU의 이용률은 어느 특정 시점까지는 높아지다가 그 이후에는 스래싱이 나타남 → CPU의 이용률 급격히 감소