가상 메모리

오늘의 목표 : 가상 메모리 공부하기

프로그램이 실제 RAM보다 큰 메모리 공간을 쓸 수 있게 해주는 기술 (디스크를 메모리처럼 활용)
-> 작은 RAM으로도 큰 프로그램을 실행할 수 있게 해준다!!

기본 개념

가상 메모리: 물리적 메모리보다 큰 메모리 공간을 프로그램에게 제공하는 기법
프로그램이 실제 물리 메모리 크기에 제약받지 않고 실행될 수 있도록 함
프로그램은 논리적 주소인 가상 주소를 사용하지만 실제 CPU는 당연히~ 물리적 주소에 접근을 하여야 한다. 이때 물리적 주소와 논리적 주소 사이에 상호 변환이 가능해야 하는데, 변환이 가능한 테이블을 운영체제가 제공해준다.
메모리 관리 하드웨어와 운영체제가 협력하여 구현

주요 목적

메모리 용량 확장: 물리 메모리보다 큰 프로그램 실행 가능
메모리 보호: 프로세스 간 메모리 영역 분리
메모리 공유: 여러 프로세스가 동일한 코드/데이터 공유 가능
프로그래밍 단순화: 연속된 메모리 공간 제공

주소 변환

가상 주소 vs 물리 주소

가상 주소(Virtual Address): 프로그램이 사용하는 논리적 주소
물리 주소(Physical Address): 실제 메모리에서의 위치

주소 변환 과정

가상 주소 → MMU(Memory Management Unit) → 물리 주소

MMU (Memory Management Unit)

하드웨어 구성요소
가상 주소를 물리 주소로 변환
페이지 테이블을 참조하여 변환 수행

페이징 시스템

페이지와 프레임

페이지(Page): 가상 메모리를 일정한 크기로 나눈 단위 (보통 4KB)
프레임(Frame): 물리 메모리를 페이지와 같은 크기로 나눈 단위

페이지 테이블

가상 페이지 번호 → 물리 프레임 번호 매핑
각 프로세스마다 별도의 페이지 테이블 존재

페이지 테이블 엔트리

Valid bit: 해당 페이지가 메모리에 있는지 표시
Protection bits: 읽기/쓰기/실행 권한
Reference bit: 최근에 접근했는지 표시
Modify bit: 페이지가 수정되었는지 표시

주소 변환 상세 과정

가상 주소 구조 (32비트 시스템 예시)

| Page Number (20비트) | Offset (12비트) |

가상 주소에서 페이지 번호와 오프셋 추출
페이지 테이블에서 해당 페이지 번호로 프레임 번호 찾기
Valid bit 확인
프레임 번호 + 오프셋 → 물리 주소

페이지 폴트

페이지 폴트 발생 상황

접근하려는 페이지가 물리 메모리에 없을 때
Valid bit가 0인 페이지에 접근할 때

페이지 폴트 처리 과정

하드웨어가 페이지 폴트 예외 발생
OS의 페이지 폴트 핸들러 실행
보조 저장장치(디스크)에서 해당 페이지 로드
페이지 테이블 업데이트
프로그램 재실행

가상 메모리의 장단점

장점

물리 메모리보다 큰 프로그램 실행 가능
다중 프로그래밍 지원
메모리 보호 및 공유 기능
프로그래밍 편의성 증대

단점

주소 변환 오버헤드
페이지 폴트로 인한 성능 저하
복잡한 메모리 관리