[Operating System] 페이징(Paging)과 세그먼테이션(Segmentation)

사용 이유?

• 다중 프로그래밍 시스템에서 다수의 프로세스를 수용하기 위해 주 기억장치를 동적으로 분리하는 메모리 관리 작업이 필요
• 메모리 관리 요구 조건
  1. 재배치
  2. 보호
  3. 공유
  4. 논리적 구성
  5. 물리적 구성
• 이때 논리적 구성에서 대표적인 메모리 관리 기술인 세그먼테이션이 있다.

메모리 관리

• 프로그램을 어떻게 메모리에 적재할 것인지 판단하는 것은 페이징과 세그먼테이션 외에 다른 기법도 존재

연속 메모리 관리

• 프로그램 전체가 하나의 커다란 공간에 연속으로 할당되어야 하는 방법
• 고정 분할 기법
  • 주 기억 장치가 고정된 파티션으로 분할
  • 구현이 간단하여 운영체제에 오버헤드가 거의 없음
  • 내부 단편화 발생
• 동적 분할 기법
  • 파티션들이 동적으로 생성되며 자신의 크기와 같은 파티션에 적재
  • 내부 단편화가 없고, 주 기억장치를 보다 효율적으로 사용할 수 있음
  • 외부 단편화 발생

• 연속 메모리 관리 기법을 사용하면 단편화 현상이 발생
  • 단편화 현상이란 기억장치의 빈 공간 또는 자료가 여러 조각으로 나뉘는 현상을 말한다.
  • 프로세스들이 메모리에 적재되고 제거되는 일이 반복되면 프로세스들이 차지하는 메모리 틈 사이에 사용하지 못할 만큼의 자유 공간이 늘어나는 것을 말함

내부 단편화

• 프로세스가 사용하는 메모리 공간에 남는 부분
• 프로세스가 요청한 양보다 더 많은 메모리를 할당할 때 발생
• 메모리 분할 자유 공간과 프로세스가 사용하는 공간의 크기 차이를 의미함

외부 단편화

• 메모리 공간 중 사용하지 못하게 되는 부분
• 메모리 할당 및 해제 작업의 반복으로 작은 메모리가 중간 중간 존재할 수 있다.
• 사용하지 않는 메모리가 존재해서 총 메모리 공간은 충분하지만 실제로 할당할 수 없는 상황
• 외부 단편화를 해결하기 위해 압축을 이용하여 프로세스가 사용하는 공간을 한쪽으로 몰 수 있지만, 작업 효율이 좋지는 않다

불연속 메모리 관리

• 프로그램의 일부가 서로 다른 주소 공간에 할당될 수 있는 기법
  • 단편화 문제를 해결하기 위해 제시된 기법
• 페이징과 세그먼테이션이 여기에 있다.
  • 외부 단편화 해소를 위한 페이징과 내부 단편화 해소를 위한 세그먼테이션으로 나뉨
• 용어 정리
  • 페이지(Page) : 작은 고정 크기의 프로세스 조각
  • 프레임(Frame) : 페이지와 크기가 같은 주 기억 장치의 메모리 조각
  • 페이지 테이블 : 프로세스의 각 페이지에 해당하는 프레임 위치 관리
  • 단편화 : 기억 장치의 빈 공간 또는 자료가 여러 조각으로 나뉘는 현상
  • 단순 페이징 : 고정 분할 기법과 유사
  • 세그먼트 : 서로 다른 크기를 가지는 논리적인 블록이 연속적인 공간에 배치되어 있는 것
• 종류
  • 고정크기 : 페이징(Paging)
  • 가변크기 : 세그먼테이션(Segmentation)

페이징(Paging)

• 프로세스를 일정한 크기의 페이지로 분할하여 메모리에 적재하는 기법
• 하나의 프로세스가 사용하는 메모리 공간이 연속적이여야 한다는 제약을 없애는 메모리 관리 방법

페이지 테이블

• 물리 메모리는 고정 크기 프레임으로, 가상 메모리는 고정 크기 페이지로 분리되어 있음
• 개별 페이지는 순서에 상관 없이 물리 메모리에 있는 프레임에 메핑되어 저장됨
• 모든 프로세스는 하나의 페이지 테이블을 가지고 있다.
  • 메인 메모리에 적재된 페이지 번호와 해당 페이지가 위치한 메인 메모리의 시작 주소가 있음
• 하나의 프로세스를 나눈 가상 메모리의 페이지들이 각각 실제 메인 메모리의 어떤 프레임에 적재되어 있는지 알 수 있음

• 위 페이징 테이블에서는 P1 프로세스의 0번째 페이지가 메인 메모리의 5번째 프레임에 있는 것을 알 수 있다.

논리 주소와 페이지 테이블

• 메모리 관리 장치(MMU)에서는 가상 주소(논리 주소)를 이용해 실제 데이터가 담겨있는 주소로 변환 함
• 논리 주소는 <page, offset>과 같은 형태로 구성되어 이를 통해 물리 주소로 변환

장단점

• 장점
  • 논리 메모리는 물리 메모리에 저장될 때 연속되어 저장될 필요가 없다
  • 물리 메모리의 남는 프레임에 적절히 배치되기 때문에 외부 단편화가 생기지 않음
• 단점
  • 내부 단편화 문제가 발생할 수 있음
  • 페이지 단위를 작게하면 해결할 수 있지만, 페이지 매핑 과정이 복잡해져 오히려 비효율적임

세그먼테이션(Segmentation)

• 가상 메모리를 서로 다른 크기의 논리적 단위로 분할한 것을 의미
• 프로세스를 물리적 단위인 페이지가 아닌 논리적 단위인 세그먼트로 분할하여 메모리에 적재
• 세그먼트는 의미가 같지 않은 논리적 내용을 기준으로 프로그램을 분할하기 때문에 크기가 같지 않음

세그먼트 테이블

• 분할 방식을 제외하고 페이징과 세그먼테이션이 동일하기 때문에 매핑 테이블의 동작 방식도 동일함
• 단, 논리 주소의 앞 비트들은 페이징 번호가 아닌 세그먼트 번호가 됨 
  • <segment, offset> 형태로 구성
  • 세그먼트 번호를 통해 세그먼트의 기준(세그먼트의 시작 물리 주소)와 한계(세그먼트의 길이)를 파악할 수 있음

장단점

• 장점
  • 내부 단편화 문제가 해소됨
  • 보호와 공유 기능을 수행할 수 있음
  • 프로그램의 중요한 부분과 중요하지 않은 부분을 분리하여 저장할 수 있고 같은 코드 영역은 한 번에 저장할 수 있음
• 단점
  • 외부 단편화 문제가 생길 수 있음

페이징과 세그먼테이션

단순 페이지

• 각 프로세스는 프레임과 같은 길이를 가진 균등 페이지로 나뉨
• 외부 단편화가 생기지 않음
• 내부 단편화가 존재할 수 있음

단순 세그먼테이션

• 각 프로세스는 여러 세그먼트로 나뉨
• 내부 단편화가 생기지 않음
• 메모리 효율을 개선함
• 동적 분할을 통한 오버헤드가 감소함
• 외부 단편화가 존재할 수 있음

가상 메모리 페이징

• 단순 페이징과 비교해 프로세스 페이지 전부를 로드할 필요가 없음
• 필요한 페이지가 있으면 나중에 자동으로 불러들임
• 외부 단편화가 생기지 않음
• 복잡한 메모리 관리로 오버헤드가 발생할 수 있음

가상 메모리 세그먼테이션

• 필요하지 않은 세그먼트들은 로드되지 않음
• 필요한 세그먼트가 있을 때 나중에 자동으로 불러들임
• 내부 단편화가 생기지 않음
• 복잡한 메모리 관리로 오버헤드가 발생할 수 있음

 

 

 

 

출처

https://velog.io/@gang_shik/%ED%8E%98%EC%9D%B4%EC%A7%95Paging%EA%B3%BC-%EC%84%B8%EA%B7%B8%EB%A8%BC%ED%85%8C%EC%9D%B4%EC%85%98Segmentation

페이징(Paging)과 세그먼테이션(Segmentation)

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