[정보처리기사 실기 공부] 가상기억장치

가상 메모리 이해: 개념 및 관리

가상 메모리는 시스템이 저장소(예: 하드 디스크)의 일부를 주 메모리(RAM)인 것처럼 사용할 수 있도록 하는 현대 컴퓨팅의 기본 개념입니다. 이 접근 방식은 물리적으로 사용 가능한 것보다 더 많은 RAM을 시뮬레이션하여 더 큰 작업 부하와 멀티태스킹을 처리하는 시스템 기능을 크게 향상시킵니다.

---

가상기억장치

• 개념
  • 보호기억장치(하드디스크)의 일부를 주기억장치처럼 사용하는 것

블록 분할 방법 (★)

• 페이징(Paging) 기법
  • 가상기억장치를 모두 같은 크기의 블록으로 편성하여 운용하는 기법

프로그램 - 페이지 / 메모리 영역 - 프레임

페이지 크기별 비교

페이지 크기	기억장소 효율	단편화	입출력 시간	맵 테이블
클수록	감소	증가	감소	감소
작을수록	증가	감소	증가	증가

 

• 세그먼테이션(Segmentation) 기법
  • 가상 메모리를 서로 크기가 다른 논리적 단위인 세그먼트로 분할하고 메모리를 할당하는 기법

세그먼트 테이블과 프로세스가 할당된 메모리

가상기억장치 기타 관리사항 (★)

• 페이지 부재
  • 프로세스 실행 시 참조할 페이지가 주기억장치에 없는 현상
• 지역성(Locality)
  • 프로세스가 실행되는 동안 주기억장치를 참조할 때 일부 페이지만 집중적으로 참조하는 성질
  • 지역성의 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

 

• 워킹 셋(Working Set)
  • 프로세스가 일정 시간 동안 자주 참조하는 페이지들의 집합
• 스래싱(Thrashing) (★)
  • 프로세스의 처리 시간보다 페이지 교체에 소요되는 시간이 더 많아지는 현상

페이지 교체 알고리즘 (★)

• FIFO (First In First Out)
  • 가장 먼저 메모리에 적재된 페이지를 먼저 교체하는 기법

• OPT(Optimal replacement, 최적 교체)
  • 앞으로 가장 사용되지 않을 페이지를 교체

• LRU (Least Recently Used)
  • 최근에 가장 오랫동안 사용되지 않은 페이지를 교체

• LFU (Least Frequently Used)
  • 사용 빈도가 가장 적은 페이지를 교체

• NUR (Not Used Recently)
  • 최근의 사용여부를 확인하기 위해 각 페이지마다 두 개의 비트 사용
  • 참조비트와 변형비트를 이용해서 페이지 교체

• SCR(Second Chance Replacement)
  • 가장 오랫동안 주기억장치에 있던 페이지 중 자주 사용되는 페이지의 교체를 방지하기 위한 것으로,FIFO 기법의 단점을 보완하는 기법

페이지 교체 알고리즘 예제

• FIFO (First In First Out) 
  • 다음은 메모리 프레임이 3개인 시스템에서 FIFO 알고리즘을 사용하는 예제입니다.
  • 페이지 참조 스트림이 다음과 같다고 가정하겠습니다. ( 7, 0, 1, 2, 0, 3, 0, 4, 2, 3 )
•  페이지 참조메모리 프레임

페이지 참조	메모리 프레임 상태	페이지 폴트
7	[7, -, -]	폴트 발생
0	[7, 0, -]	폴트 발생
1	[7, 0, 1]	폴트 발생
2	[2, 0, 1]	폴트 발생
0	[2, 0, 1]	없음
3	[2, 3, 1]	폴트 발생
0	[2, 3, 1]	없음
4	[4, 3, 1]	폴트 발생
2	[4, 2, 1]	폴트 발생
3	[4, 2, 3]	폴트 발생

 

• 설명

1. 페이지 7 참조:
   • 메모리 프레임이 비어있기 때문에 7을 추가합니다. (폴트 발생)
   • 상태: [7, -, -]
2. 페이지 0 참조:
   • 0을 메모리에 추가합니다. (폴트 발생)
   • 상태: [7, 0, -]
3. 페이지 1 참조:
   • 1을 메모리에 추가합니다. (폴트 발생)
   • 상태: [7, 0, 1]
4. 페이지 2 참조:
   • 메모리가 가득 찼으므로 가장 오래된 페이지인 7을 교체합니다. (폴트 발생)
   • 상태: [2, 0, 1]
5. 페이지 0 참조:
   • 0은 이미 메모리에 있으므로 교체할 필요가 없습니다. (폴트 없음)
   • 상태: [2, 0, 1]
6. 페이지 3 참조:
   • 가장 오래된 페이지인 0을 교체합니다. (폴트 발생)
   • 상태: [2, 3, 1]
7. 페이지 0 참조:
   • 0은 메모리에 없으므로, 가장 오래된 페이지인 1을 교체합니다. (폴트 발생)
   • 상태: [2, 3, 0]
8. 페이지 4 참조:
   • 가장 오래된 페이지인 2를 교체합니다. (폴트 발생)
   • 상태: [4, 3, 0]
9. 페이지 2 참조:
   • 가장 오래된 페이지인 3을 교체합니다. (폴트 발생)
   • 상태: [4, 2, 0]
10. 페이지 3 참조:
    • 가장 오래된 페이지인 0을 교체합니다. (폴트 발생)
    • 상태: [4, 2, 3]

• 결과
  • 총 10개의 페이지 참조 중 8번의 페이지 폴트가 발생했습니다.

---

• LRU (Least Recently Used)
  • 다음은 메모리 프레임이 3개인 시스템에서 LRU 알고리즘을 사용하는 예제입니다.
  • 페이지 참조 스트림이 다음과 같다고 가정하겠습니다. ( 7, 0, 1, 2, 0, 3, 0, 4, 2, 3 )

•  단계별 설명

단계	페이지 참조	메모리 프레임 상태	페이지 폴트	설명
1	7	[7, -, -]	폴트 발생	7을 메모리에 로드
2	0	[7, 0, -]	폴트 발생	0을 메모리에 로드
3	1	[7, 0, 1]	폴트 발생	1을 메모리에 로드
4	2	[2, 0, 1]	폴트 발생	7을 교체 (가장 오래 사용 안함)
5	0	[2, 0, 1]	없음	0은 이미 메모리에 있음
6	3	[2, 0, 3]	폴트 발생	1을 교체 (가장 오래 사용 안함)
7	0	[2, 0, 3]	없음	0을 이미 메모리에 있음
8	4	[4, 0, 3]	폴트 발생	2를 교체 (가장 오래 사용 안함)
9	2	[4, 2, 3]	폴트 발생	0을 교체 (가장 오래 사용 안함)
10	3	[4, 2, 3]	없음	3은 이미 메모리에 있음

 

• 설명

1. 페이지 7 참조:
   • 메모리 프레임이 비어 있으므로 7을 추가합니다. (폴트 발생)
   • 상태: [7, -, -]
2. 페이지 0 참조:
   • 0을 메모리에 추가합니다. (폴트 발생)
   • 상태: [7, 0, -]
3. 페이지 1 참조:
   • 1을 메모리에 추가합니다. (폴트 발생)
   • 상태: [7, 0, 1]
4. 페이지 2 참조:
   • 메모리가 가득 찼으므로 가장 오래 사용되지 않은 페이지인 7을 교체합니다. (폴트 발생)
   • 상태: [2, 0, 1]
5. 페이지 0 참조:
   • 0은 이미 메모리에 있으므로 교체할 필요가 없습니다. (폴트 없음)
   • 상태: [2, 0, 1]
6. 페이지 3 참조:
   • 가장 오래 사용되지 않은 페이지인 1을 교체합니다. (폴트 발생)
   • 상태: [2, 0, 3]
7. 페이지 0 참조:
   • 0은 이미 메모리에 있으므로 교체할 필요가 없습니다. (폴트 없음)
   • 상태: [2, 0, 3]
8. 페이지 4 참조:
   • 가장 오래 사용되지 않은 페이지인 2를 교체합니다. (폴트 발생)
   • 상태: [4, 0, 3]
9. 페이지 2 참조:
   • 가장 오래 사용되지 않은 페이지인 0을 교체합니다. (폴트 발생)
   • 상태: [4, 2, 3]
10. 페이지 3 참조:
    • 3은 이미 메모리에 있으므로 교체할 필요가 없습니다. (폴트 없음)
    • 상태: [4, 2, 3]

• 결과
  • 총 10개의 페이지 참조 중 7번의 페이지 폴트가 발생했습니다.

---

• LFU (Least Frequently Used)
  • 다음은 메모리 프레임이 3개인 시스템에서 LFU 알고리즘을 사용하는 예제입니다.
  • 페이지 참조 스트림이 다음과 같다고 가정하겠습니다. ( 7, 0, 1, 2, 0, 3, 0, 4, 2, 3 )

• 단계별 설명

단계	페이지 참조	메모리 프레임 상태	참조 횟수	페이지 폴트	설명
1	7	[7, -, -]	7: 1	폴트 발생	7을 메모리에 로드
2	0	[7, 0, -]	7: 1, 0: 1	폴트 발생	0을 메모리에 로드
3	1	[7, 0, 1]	7: 1, 0: 1, 1: 1	폴트 발생	1을 메모리에 로드
4	2	[2, 0, 1]	7: -, 0: 1, 1: 1, 2: 1	폴트 발생	7을 교체 ( 가장 적게 사용됨 )
5	0	[2, 0, 1]	7: -, 0: 2, 1: 1, 2: 1	없음	0은 이미 메모리에 있음
6	3	[2, 0, 3]	7: -, 0: 2, 1: 1, 2: 1, 3: 1	폴트 발생	1을 교체 ( 가장 적게 사용됨 )
7	0	[2, 0, 3]	7: -, 0: 3, 1: -, 2: 1, 3: 1	없음	0을 이미 메모리에 있음
8	4	[4, 0, 3]	7: 0, 0: 3, 1: -, 2: 1, 3: 1, 4: 1	폴트 발생	2를 교체 ( 가장 적게 사용됨 )
9	2	[4, 0, 2]	7: -, 0: 3, 1: -, 2: 2, 3: 1,4: 1	폴트 발생	3을 교체 ( 가장 적게 사용됨 )
10	3	[4, 0, 2]	7: -, 0: 3, 1: -, 2: 2, 3: 1, 4: 1	폴트 발생	4를 교체 (가장 적게 사용됨)

• 설명

1. 페이지 7 참조:
   • 메모리 프레임이 비어 있으므로 7을 추가합니다. (폴트 발생)
   • 상태: [7, -, -]
   • 참조 횟수: 7: 1
2. 페이지 0 참조:
   • 0을 메모리에 추가합니다. (폴트 발생)
   • 상태: [7, 0, -]
   • 참조 횟수: 7: 1, 0: 1
3. 페이지 1 참조:
   • 1을 메모리에 추가합니다. (폴트 발생)
   • 상태: [7, 0, 1]
   • 참조 횟수: 7: 1, 0: 1, 1: 1
4. 페이지 2 참조:
   • 메모리가 가득 찼으므로 가장 적게 사용된 페이지인 7을 교체합니다. (폴트 발생)
   • 상태: [2, 0, 1]
   • 참조 횟수: 7: -, 0: 1, 1: 1, 2: 1
5. 페이지 0 참조:
   • 0은 이미 메모리에 있으므로 교체할 필요가 없습니다. (폴트 없음)
   • 상태: [2, 0, 1]
   • 참조 횟수: 7: -, 0: 2, 1: 1, 2: 1
6. 페이지 3 참조:
   • 가장 적게 사용된 페이지인 1을 교체합니다. (폴트 발생)
   • 상태: [2, 0, 3]
   • 참조 횟수: 7: -, 0: 2, 1: -, 2: 1, 3: 1
7. 페이지 0 참조:
   • 0은 이미 메모리에 있으므로 교체할 필요가 없습니다. (폴트 없음)
   • 상태: [2, 0, 3]
   • 참조 횟수: 7: -, 0: 3, 1: -, 2: 1, 3: 1
8. 페이지 4 참조:
   • 가장 적게 사용된 페이지인 2를 교체합니다. (폴트 발생)
   • 상태: [4, 0, 3]
   • 참조 횟수: 7: -, 0: 3, 1: -, 2: 1, 3: 1, 4: 1
9. 페이지 2 참조:
   • 가장 적게 사용된 페이지인 3을 교체합니다. (폴트 발생)
   • 상태: [4, 0, 2]
   • 참조 횟수: 7: -, 0: 3, 1: -, 2: 2, 3: 1, 4: 1
10. 페이지 3 참조:
    • 가장 적게 사용된 페이지인 4를 교체합니다. (폴트 발생)
    • 상태: [4, 0, 2]
    • 참조 횟수: 7: -, 0: 3, 1: -, 2: 2, 3: 1, 4: 1

• 결과
  • 총 10개의 페이지 참조 중 8번의 페이지 폴트가 발생했습니다.

---

• NUR (Not Used Recently)
  • 다음은 메모리 프레임이 3개인 시스템에서 NUR 알고리즘을 사용하는 예제입니다.
  • 페이지 참조 스트림이 다음과 같다고 가정하겠습니다. ( 7, 0, 1, 2, 0, 3, 0, 4, 2, 3 )
• 단계별 설명

단계	페이지 참조	메모리 프레임 상태	참조 비트	수정 비트	페이지 폴트	설명
1	7	[7, -, -]	1	0	폴트 발생	7을 메모리에 로드
2	0	[7, 0, -]	1, 1	0, 0	폴트 발생	0을 메모리에 로드
3	1	[7, 0, 1]	1, 1, 1	0, 0, 0	폴트 발생	1을 메모리에 로드
4	2	[2, 0, 1]	1, 1, 1	0, 0, 0	폴트 발생	7을 교체 (참조되지 않음)
5	0	[2, 0, 1]	1, 1, 1	0, 0, 0	없음	0은 이미 메모리에 있음
6	3	[2, 0, 3]	1, 1, 1	0, 0, 0	폴트 발생	1을 교체 (참조되지 않음)
7	0	[2, 0, 3]	1, 1, 1	0, 0, 0	없음	0은 이미 메모리에 있음
8	4	[4, 0, 3]	1, 1, 1	0, 0, 0	폴트 발생	2를 교체 (참조되지 않음)
9	2	[4, 0, 2]	1, 1, 1	0, 0, 0	폴트 발생	3을 교체 (참조되지 않음)
10	3	[4, 0, 2]	1, 1, 1	0, 0, 0	폴트 발생	4를 교체 (참조되지 않음)

 

• 설명

1. 페이지 7 참조:
   • 메모리 프레임이 비어 있으므로 7을 추가합니다. (폴트 발생)
   • 상태: [7, -, -]
   • 참조 비트: 1
   • 수정 비트: 0
2. 페이지 0 참조:
   • 0을 메모리에 추가합니다. (폴트 발생)
   • 상태: [7, 0, -]
   • 참조 비트: 1, 1
   • 수정 비트: 0, 0
3. 페이지 1 참조:
   • 1을 메모리에 추가합니다. (폴트 발생)
   • 상태: [7, 0, 1]
   • 참조 비트: 1, 1, 1
   • 수정 비트: 0, 0, 0
4. 페이지 2 참조:
   • 메모리가 가득 찼으므로 가장 참조되지 않은 페이지인 7을 교체합니다. (폴트 발생)
   • 상태: [2, 0, 1]
   • 참조 비트: 1, 1, 1
   • 수정 비트: 0, 0, 0
5. 페이지 0 참조:
   • 0은 이미 메모리에 있으므로 교체할 필요가 없습니다. (폴트 없음)
   • 상태: [2, 0, 1]
   • 참조 비트: 1, 1, 1
   • 수정 비트: 0, 0, 0
6. 페이지 3 참조:
   • 가장 참조되지 않은 페이지인 1을 교체합니다. (폴트 발생)
   • 상태: [2, 0, 3]
   • 참조 비트: 1, 1, 1
   • 수정 비트: 0, 0, 0
7. 페이지 0 참조:
   • 0은 이미 메모리에 있으므로 교체할 필요가 없습니다. (폴트 없음)
   • 상태: [2, 0, 3]
   • 참조 비트: 1, 1, 1
   • 수정 비트: 0, 0, 0
8. 페이지 4 참조:
   • 가장 참조되지 않은 페이지인 2를 교체합니다. (폴트 발생)
   • 상태: [4, 0, 3]
   • 참조 비트: 1, 1, 1
   • 수정 비트: 0, 0, 0
9. 페이지 2 참조:
   • 가장 참조되지 않은 페이지인 3을 교체합니다. (폴트 발생)
   • 상태: [4, 0, 2]
   • 참조 비트: 1, 1, 1
   • 수정 비트: 0, 0, 0
10. 페이지 3 참조:
    • 가장 참조되지 않은 페이지인 4를 교체합니다. (폴트 발생)
    • 상태: [4, 0, 2]
    • 참조 비트: 1, 1, 1
    • 수정 비트: 0, 0, 0

• 결과
  • 총 10개의 페이지 참조 중 8번의 페이지 폴트가 발생했습니다.

---

가상 메모리 관리는 효율적인 메모리 사용에 대한 요구와 여러 프로세스를 동시에 실행해야 하는 요구 사이의 균형을 맞추는 운영 체제 설계의 중요한 측면입니다. 2024년에 정보처리기사 따기 위해 노력하는 모두에게 행운을 빕니다!