페이징이란?

📌 페이징은 프로세스의 메모리 공간을 일정한 크기의 Page 로 나누어 메모리에 적재하는 방식으로, 이때 적재 되는 위치는 꼭 연속적이지 않을 수 있다. 물리적 메모리는 페이지와 같은 크기의 frame 으로 미리 나누어져 있어, 프로세스의 논리적 주소를 frame에 분산시켜 적재한다. 

 

🙋🏻‍♂️ 왜 자르지?

비교적 크기가 큰 A 프로세스가 존재할 때, 메모리 상에서 B, C 라는 다른 프로세스들이 작업중이라고 가정해보자. 크기가 큰 A 프로세스를 메모리에 적재 할 여분의 공간이 안생긴다면, A 프로세스는 B, C 의 작업이 끝날 때까지 대기만 해야한다. 하지만 프로세스를 일정한 크기로 나누어 메모리에 적재할 수 있다면, 크기가 큰 A 프로세스도 일정 부분 메모리에 적재될 수 있다.

즉 메모리에 낭비되는 공간을 최소한으로 줄여, 더 많은 프로세스를 처리하기 위한 운영체제의 메모리 관리 기법으로 볼 수 있다.

 

🙋🏻‍♂️ 왜 일정 크기로 자르지?

외부 단편화 문제를 해결하기 위해서.

불균형한 크기로 프로세스를 나누어 메모리에 적재하면, 메모리 상에서는 작은 틈(hole)이 생긴다. 이러한 hole 들로 메모리가 조각나 있으면, 충분한 여유공간이 있음에도 다른 프로세스를 적재하지 못하는 상황이 발생한다.

 

🙋🏻‍♂️ 페이징은 어떤 문제를 해결하지?

외부 단편화 문제를 해결할 수 있다. 

외부 단편화란, 메모리 상 여유 공간이 존재하지만, 그 크기가 작아 활용할 수 없는 상황을 의미한다.

 

🙋🏻‍♂️ 페이징이 어떻게 외부 단편화 문제를 해결하지?

페이징은 프로세스를 일정한 크기로 나누어 메모리에 적재한다. 물리 메모리 공간은 페이지 크기와 동일하게 구역(Frame)을 나누어 페이지를 적재한다. 모두 일정한 크기로 균등하게 적재되기 때문에 메모리 여유 공간인 hole 이 발생하지 않는다. 

 

🙋🏻‍♂️ 그럼 페이징은 모든 문제를 해결하는가?

페이징에서는 반대로 내부 단편화 문제가 발생할 수 있다.

 

📌 내부 단편화란?

내부 단편화는 프로세스에게 필요한 양보다 더 큰 메모리가 할당되어서 메모리 공간이 낭비되는 상황을 뜻한다.

페이징은 일정한 크기의 페이지로 프로세스를 나누어 메모리에 적재하는데, 이때 프로세스의 크기가 꼭 페이지의 배수가 아닐 수 있다. 즉 프로세스의 마지막 페이지는 할당받은 메모리 크기보다 작기 때문에, 해당 페이지에서는 사용할 수 없는 여유 메모리가 발생한다. 

 

C 작업 처럼 메모리 상에서 여분의 작은 공간이 발생하는 것을 내부 단편화라고 한다. 

 

🙋🏻‍♂️ 한 페이지의 크기는 어떻게 되지?

일반적으로 한 페이지의 크기는 4kB ~ 4MB 로 알려져있다.

페이지의 크기는 하드웨어에 의해 정의된다. 대개 컴퓨터 구조에 따라 512 Byte에서 16MB 사이이며 2의 제곱으로 증가한다. 

 

🙋🏻‍♂️ 페이지의 크기는 작은게 좋을까? 큰게 좋을까?

페이지 크기가 작을 수록 내부 단편화의 공간이 줄어들어 메모리 효율이 좋아진다. CPU 가 페이지에 접근할 때는 지역성의 원리에 따라 여러 페이지를 가져오는데, 이때 페이지의 크기가 크면 필요치 않은 페이지를 가져올 수 있으므로 메모리 면에서 손해다. 

 

🙋🏻‍♂️ 어떤 장점이 있지?

외부 단편화 문제를 해결할 수 있다. 

 

🙋🏻‍♂️ 어떤 단점이 있지?

내부 단편화 문제가 발생한다. 내부 단편화란, 프로세스의 단위 페이지가 필요로 하는 것 보다 더 큰 메모리가 할당되어 메모리가 낭비되는 상황을 의미한다.

 

🙋🏻‍♂️ Page fault 가 뭐지?

사전적 정의 : CPU 가 무효 비트(invalid bit)로 표시된 Page 에 접근하는 상황.

CPU가 메모리상에서 찾고자 하는 명령어(페이지 조각)를 찾지 못한 경우를 의미한다. 즉 아직 메모리에 적재되지 않은 페이지를 CPU 가 찾으려고 하면 page fault 가 발생한다. 

 

🙋🏻‍♂️ Page fault 발생 과정

1. Cpu 가 Page N 을 참조하기 위해 접근

2. 페이지 테이블에서 Page N 이 무효 상태임을 확인

3. MMU 에서 Page Fault Trap 발생

4. 디스크에서 Page N 을 빈 프레임에 적재하고 page Table 을 업데이트 한다. (invalid -> valid)

 

MMU(Memory Management Unit)란 가상 주소를 물리 메모리 주소로 변환해주는 하드웨어 장치입니다.

 

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