[OS] Demand Paging

June 18, 2024

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

👑 Demand Paging

가상메모리는 segmentation과 paging 기법으로 구현될 수 있지만, 일반적으로 페이징 기법을 통해

구현된다. 페이징 기법에서 프로세스는 고정된 크기의 페이지로 구성되며, 가상 메모리에 저장된다.

각 페이지는 메인 메모리의 어디에나 위치할 수 있으며, page table이 가상(논리) 주소에서 물리 주소로

변환되는데 사용된다.

기존의 paging 기법과 같지만, 모든 페이지를 메인 메모리에 로드시키는 것이 아니라, 요구하는

페이지만을 메모리에 로드하는 방식으로 동작하여 Demand Paging이라 한다. Demand Paging 역시

프로세스별 page table을 가지지만, 페이지 테이블 항목은 기존 페이징 방식보다 복잡하다.

페이지 테이블 엔트리(Page Table Entry, PTE)는 가상 메모리 시스템에서 가상 주소를 물리 주소로

변환하기 위해 사용되는 데이터 구조이다. 각 PTE는 페이지 테이블 내의 하나의 항목을 의미한다.

virtual address는 페이지 번호와 오프셋으로 구성되며, PTE는 프레임 번호와 제어 비트들로

이루어져 있다.

UNIX PTE의 제어 비트

운영체제마다 PTE 의 구조는 다를 수 있다. 다음은 UNIX PTE의 제어비트들의 종류이다.

Age
- 페이지가 참조되지 않고 얼마나 경과하였는지를 나타낸다.
Copy On Write
- 두 개 이상의 프로세스가 페이지를 복사하지 않고 원본 페이지를 공유하고 있을 때 설정된다.
Modify = dirty
- 페이지가 수정되었는지 여부를 나타낸다.
- 만약 페이지가 변경되지 않았다면 이후 그 페이지가 교체될 때 내용을 디스크에 기록할 필요가 없다.
Reference
- 페이지가 참조되었는지 여부를 나타낸다.
Valid = Present
- 페이지가 메인 메모리에 있는지 여부를 나타낸다.
Protect
- 쓰기 작업이 허용되어 있는지를 나타낸다.

일반적으로 프로세스 당 하나의 page table을 가지는데, 각 프로세스가 엄청 큰 크기의

가상메모리를 가진다면 페이지 테이블이 너무 커질 수 있으며, 페이지 테이블이 메인 메모리의

너무 많은 부분을 차지할 수 있는 문제점이 발생한다.

이를 해결하기 위해 대부분의 가상메모리 기법은 page table을 가상 메모리에 저장하며,

Multi-level page table 이나 Inverted page table을 사용하기도 한다.

Two-Level Paging 예시

가상 주소가 32비트인 시스템에서, 4KB 페이지 크기를 사용한다고 가정한다.
- 페이지 크기가 4KB이므로, offset은 12 bits를 사용해야한다. $ (2^{12} = 4096 = 4 KB) $
- 32비트 논리주소에서 12비트를 사용했으므로, page number에 20비트가 할당된다.
- 2단계 기법에서는 이 20비트를 10비트 + 10비트로 나눠 사용한다.