[OS] Virtual Memory

June 16, 2024

William Stallings의 『Operating Systems, Internals and Design Principles (9th Ed.)』 을 토대로 작성하였음.

👑 Virtual Memory

paging과 segmentation 기법에서 한 프로세스는 여러 블록으로 분할될 수 있으며, 분할된 블록들은

메인 메모리의 연속된 영역에 위치할 필요가 없었다. 또한, 프로세스 수행 시간에 프로세스의 논리주소는

동적으로 물리주소로 변환된다. 이는 프로세스가 swap을 통해 다시 메모리에 로드될 때, 이전과 다른

위치에 로드될 수 있음을 의미한다. (relocation)

위의 두 특성들을 만족한다면, 프로세스의 수행 시간 동안에 프로세스의 모든 블록들이 메인 메모리에

로드되어 있을 필요가 없다. 프로세스의 일부 블록만을 메인 메모리에 적재시키는 방법을 사용함으로써

다음의 장점들을 가질 수 있다.

더 많은 프로세스를 메인 메모리에 유지할 수 있다.

프로세스의 일부 블록들만 로드하기 때문에 보다 많은 프로세스를 가지고 있을 수 있다.
이로 인해 임의의 시점에 ready 상태의 프로세스가 메인 메모리에 존재할 가능성이 더 커지므로
시스템의 효율성이 증가한다. (throughput ↑)

메인 메모리보다 큰 프로세스를 수행할 수 있다.

위 기법을 사용하여 사용자는 보조기억장치를 활용하여 메인 메모리보다 훨씬 큰 메모리를 가질 수 있게

되었다. 즉, 실제 주기억장치 용량보다 훨씬 큰 메모리를 사용하는 것처럼 느낄 수 있게 하며, 이를

가상 메모리 (Virtual Memory)라 부른다.

가상 메모리를 통한 프로그램의 실행 과정은 다음과 같다.

OS가 프로세스의 일부 블록만을 메인 메모리에 로드시킨다.
- 프로세스의 코드나 데이터 중 임의의 시점에 메인 메모리에 로드되어 있는 부분을
  resident set이라 한다.
메인 메모리에 없는 논리주소가 참조될 경우 인터럽트가 발생한다.
- 프로세스가 resident set에 포함된 주소를 참조하는 동안은 수행이 잘 이루어지지만,
  그렇지 않은 주소를 참조할 경우 page fault 인터럽트를 발생시킨다.
OS가 인터럽트 당한 프로세스를 block 상태로 둔다.
- 이후 프로세스의 수행을 재개하기 위해서는 해당 논리주소를 포함한 프로세스의 블록을
  메인 메모리로 로드해야 하며, 이를 위해 Disk I/O request가 필요하다.
Disk I/O가 진행되는 동안 다른 프로세스에게 CPU를 넘겨 수행될 수 있게 한다.
- 디스크 입출력이 끝나면 입출력 인터럽트가 발생하게 되고, OS가 제어를 돌려받으며,
  block 되었던 프로세스를 ready 상태로 전환시킨다.

가상 메모리를 사용하여 얻을 수 있는 장점들은 확실하지만, 이 방법이 실용적인가에 대한 논의 역시

이뤄져 왔다. 메인 메모리에 적재되지 않은 블록들로 인해 반복적인 인터럽트가 발생하는 것이 명백하고,

이 점을 통해 효율성에 대한 의구심이 생길 수 있다. 하지만, 가상 메모리를 사용한 운영체제가 주는

이점으로 인해 이 의구심은 해소될 수 있다.

가상 메모리 방식에서 각 프로세스는 메모리 상에 몇 개의 블록만을 가지게 되며, 이를 통해 더 많은

프로세스를 메모리에 유지할 수 있다. 또한 불필요한 블록들에 대한 반입/반출을 수행하지 않기에 시간을

절약할 수 있다.

물론 OS는 블록 관리를 지능적으로 수행해야만 한다. 안정 상태 (safe state)에서는 가능한 한 많은

프로세스 블록들이 메인 메모리 전체를 채우고 있다. 따라서 다른 블록을 반입하기 위해서는 블록 하나를

반출해야만 한다. 만약 특정 블록이 사용되기 직전에 반출된다면, 그 블록은 곧바로 반입되게 될 것이다.

이와 같은 상황이 과도하게 발생되면, 쓰레싱(Thrashing)에 이르게 되어, 시스템이 블록 교체에 대부분의

시간을 허비하게 될 것이다.

이런 문제를 처리하기 위해 다양한 알고리즘들이 제시되었으며, 운영체제는 근본적으로 최근의 참조 이력을

근거로 가까운 미래에 사용될 가능성이 가장 적은 블록을 추정하는데, 이러한 추론은 지역성의 원리

(Principle of Locality)에 근거한다. 지역성의 원리란 프로세스에 대한 참조가 군집화 경향이 있음을

의미한다. 즉, 짧은 시간 동안 단지 프로세스의 블록 몇 개만이 필요할 것이며, 가까운 미래에 어떤 블록이

필요할 것인가에 대한 예측을 통해 쓰레싱을 피하고, 효율적으로 메모리를 관리할 수 있게 한다.