요구 페이징
실행 가능한 프로그램이 보조 저장 장치(secondary storage)에서 메모리로 적재되는 방법을 고려해봅시다. 프로그램 실행 시 프로그램 전체를 물리 메모리에 적재하는 것은 메모리 낭비, 느린 시작 시간, 제한된 동시성 등의 문제점을 가집니다.
이러한 문제를 해결하기 위해 요구 페이징(Demand Paging) 기법이 사용됩니다. 이 기법은 페이지가 실제로 요구될 때만 메모리에 적재하는 방식으로, 메모리 사용 효율을 높이고 더 많은 프로그램이 동시에 실행될 수 있도록 합니다.
기본 개념 (Basic Concept)
논리적 vs. 물리적 공간: 요구 페이징을 사용하면, 프로세스의 논리적 주소 공간은 물리적 메모리보다 훨씬 커질 수 있습니다.
유효-무효 비트: 페이지 테이블 항목에 있는 유효(valid)/무효(invalid) 비트는 이 기법을 구현하는 데 결정적인 역할을 합니다.
유효(valid): 연관된 페이지가 합법적이고 물리 메모리에 있음을 나타냅니다.
무효(invalid): 연관된 페이지가 메모리에 없음을 나타내거나(현재 보조 저장 장치에 있음), 혹은 해당 페이지가 프로세스의 논리적 주소 공간에 속하지 않음을 나타냅니다.
페이지 오류 (Page Fault)의 상세 처리 과정
페이지 오류는 요구 페이징의 핵심 메커니즘입니다. CPU가 페이지에 접근하려고 할 때, 페이지 테이블에서 해당 페이지의 유효-무효 비트가 **'무효(invalid)'**인 것을 발견하면 **페이지 오류(page fault)**라는 운영체제 트랩이 발생합니다.
페이지 오류를 처리하는 상세 단계:
트랩 발생 및 저장: 하드웨어가 운영체제에 **트랩(trap)**을 발생시키고, 페이지 오류를 일으킨 명령어를 저장합니다.
유효성 검사: 운영체제는 먼저 페이지 참조가 합법적인지 (즉, 유효한 주소 공간 내에 있는지) 확인합니다.
디스크 위치 확인: 페이지가 합법적인 참조이지만 메모리에 없는 경우, 운영체제는 해당 페이지가 보조 저장 장치(스와핑 공간)의 어디에 있는지를 확인합니다.
프레임 할당: 운영체제는 물리 메모리에서 빈 프레임을 찾습니다. (만약 빈 프레임이 없다면, 페이지 교체 알고리즘을 사용하여 희생자 페이지를 선택하고 해당 페이지를 디스크로 내보냅니다. 이 부분이 바로 페이지 교체의 필요성입니다.)
디스크 I/O 예약: 디스크 I/O를 예약하여 요구된 페이지를 새로 확보된 프레임으로 로드합니다.
I/O 대기: 디스크 I/O가 완료될 때까지 이 프로세스는 **대기 상태(waiting state)**로 전환됩니다.
페이지 테이블 업데이트: 디스크 I/O가 완료되면, 페이지 테이블의 해당 항목이 업데이트되고 유효 비트가 **'유효(valid)'**로 설정됩니다.
프로세스 재시작: 대기 상태에 있던 프로세스가 준비 큐로 이동하고, 페이지 오류를 일으켰던 명령어가 다시 시작됩니다.
성능 (Performance of Demand Paging)
요구 페이징의 성능은 주로 **유효 접근 시간(Effective Access Time, EAT)**으로 측정됩니다.
페이지 오류율 (Page Fault Rate):
는 페이지 오류율(
EAT 공식:
페이지 오류 처리 시간은 수백만 나노초에 달할 수 있어, 메모리 접근 시간(수백 나노초)에 비해 매우 길기 때문에, 페이지 오류율
스와핑 영역 (Swap Space)
요구 페이징 환경에서 페이지가 물리 메모리에 없는 경우, 해당 페이지는 **스와핑 영역(swap space)**이라 불리는 보조 저장 장치에 보관됩니다. 스와핑 영역은 파일 시스템과는 별개로, 더 빠른 접근 속도를 위해 최적화된 디스크 공간입니다.
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