[OS] 14. 페이지 교체와 프레임 할당

페이징을 통해서 물리 메모리보다 큰 프로세스를 실행할 수 있지만, 그럼에도 물리 메모리의 크기는 한정되어있다.

그렇기에 운영체제는 이 2가지 문제를 해결해야합니다.

• 기존에 적대된 불필요한 페이지를 선별해 보조기억장치로 내보내고 (→ 페이지 교체)
• 프로세스들에게 적절한 수의 프레임을 할당해야 함 (→ 프레임 할당)

 

1. 요구 페이징

• 처음부터 모든 페이지를 적재하지 않고 필요한 페이지만을 메모리에 적재하는 기법
• 요구되는 페이지만 적재하는 기법
• 순수 요구 페이징 - 아무런 페이지도 메모리에 적재하지 않은 채 무작정 실행부터 하는 방법
• 순서
  1. CPU가 특정 페이지에 접근하는 명령어를 실행한다.
  2. 해당 페이지가 현재 메모리에 있을 경우(유효 비트가 1일 경우) CPU는 페이지가 적재된 프레임에 접근한다.
  3. 해당 페이지가 현재 메모리에 없을 경우 (유효 비트가 0일 경우) 페이지 폴트가 발생한다.
  4. 페이지 폴트 처리 루틴은 해당 페이지를 메모리로 적재하고 유효 비트를 1로 설정한다.
  5. 다시 1번을 수행한다.
• 이러한 요구 페이징 시스템이 안정적으로 작동하려면 해결해야 할 문제?
  • 페이지 교체
  • 프레임 할당

 

2. 페이지 교체 알고리즘

• 요구 페이징 기법으로 페이지들을 적재하다보면 언젠간 메모리가 가득 차게 된다
• 당장 실행에 필요한 페이지를 적재하려면 적재된 페이지를 보조기억장치로 내보내야 하는데
• 이 때, 어떤 페이지를 내보낼까?
• 이를 결정하는 방법(알고리즘)이 페이지 교체 알고리즘
• 무엇이 좋은 페이지 교체 알고리즘일까? 기준을 잡아보자
  • 페이지 폴트가 적은 알고리즘
    • 페이지 폴트가 발생하면 보조기억장치에 접근해야 해서 성능 저하(=내보내면 안되는 페이지를 보조기억장치에 내보낸 것)
    • 이를 위해서는 페이지 폴트 횟수를 알아야 함 → 페이지 참조열을 통해 확인 가능
    • 페이지 참조열(page reference string)
      : CPU가 참조하는 페이지들 중 연속된 페이지를 생략한 페이지열

 

3. 페이지 교체 알고리즘 종류

1) FIFO 페이지 교체 알고리즘

• 가장 단순한 방식
• 메모리에 가장 먼저 올라온 페이지부터 내쫓는 방식
• “오래 머물렀다면 나가라”
• 프로그램 실행 초기에 잠깐 실행될 페이지가 있을 수도 있지만, 프로그램 실행 내내 사용될 페이지가 먼저 적재되었다고 내쫓아서는 안된다

2) 2차 기회(second-change) 페이지 교체 알고리즘 - FIFO 페이지 교체 알고리즘의 보완책

• 참조 비트 1: CPU가 한 번 참조한 적이 있는 페이지 - 한 번 더 기회를 주기 (참조 비트 0으로 초기화 후 적재 시간을 현재 시간으로 설정)
• 참조 비트 0: CPU가 참조한 적이 없는 페이지 - 내쫓기

3) 최적 페이지 교체 알고리즘

• 앞으로의 사용 빈도가 가장 낮은 페이지를 교체하는 알고리즘 - CPU에 의해 참조되는 횟수를 고려한 것
• 메모리에 오래 남아야할 페이지는 자주 사용될 페이지
• 메모리에 없어도 될 페이지는 오랫동안 사용되지 않을 페이지
• 가장 낮은 페이지 폴트율을 보장하는 페이지 교체 알고리즘
  • 하지만 실제 구현이 어렵다.
  • “앞으로 오랫동안 사용되지 않을 페이지를 어떻게 예측?”
  • 다른 페이지 교체 알고리즘 성능을 평가하기 위한 하한선으로 간주

4) LRU(Least-Recently-Used) 페이지 교체 알고리즘 (최적페이지 교체와 유사하게 구현 가능)

• 최적 페이지 교체 알고리즘: 가장 오래 사용되지 않을 페이지 교체
• LRU 페이지 교체 알고리즘: 가장 오래 사용되지 않은 페이지 교체
  • “최근에 사용되지 않은 페이지는 앞으로도 사용되지 않지 않을까?”

5) 기타 페이지 교체 알고리즘

• 이외에도 많은 페이지 교체 알고리즘들이 있다.
• 다른 알고리즘을 알기보단, 페이지 교체 알고리즘이란 무엇인지, 페이지 교체는 왜 해야하는지, 무엇이 좋을 페이지 교체 알고리즘에 집중!!

 

4. 스레싱과 프레임 할당

• 페이지 폴트가 자주 발생하는 이유
  • 나쁜 페이지 교체 알고리즘을 사용해서
  • 프로세스가 사용할 수 있는 프레임 자체가 적어서
• 스레싱
  • 프로세스가 실행되는 시간보다 페이징에 더 많은 시간을 소요하여 성능(CPU 이용률)이 저해되는 문제
  • 동시 실행되는 프로세스의 수를 늘린다고 CPU 이용률이 높아지는 것이 아니다.
  • 멀티 프로그래밍의 정도가 일정 기준 전까지 높아진다면 CPU이용율도 높아지지만, 일정 기준보다 많아진다면 CPU 이용률이 현저하게 떨어짐(스레싱 발생). 멀티 프로그래밍의 정도란? - 메모리에 동시에 실행되는 프로세스의 수
• 스레싱이 발생하는 근본적인 이유
  • 각 프로세스가 필요로하는 최소한의 프레임 수가 보장되지 않았기 때문
  • 각 프로세스가 필요로하는 최소한의 프레임 수를 파악하고 프로세스들에게 적절한 프레임을 할당해주어야 한다
• 운영체제의 프레임 할당 방식
  • 균등 할당(equal allocation) - 정적 할당 방식
    • 가장 단순한 할당 방식
    • 모든 프로세스들에게 균등하게 프레임을 할당하는 방식
    • 모든 프로세스의 크기가 일정하지 않기 때문에 비합리적임(ex. 게임과 메모장)
  • 비례 할당(proportional allocation) - 정적 할당 방식
    • 프로세스의 크기를 고려하자
    • 프로세스 크기에 비례하여 프레임 할당
    • 크기가 큰 프로세스인데 막상 실행해보니 많은 프레임을 필요로 하지 않으면?
    • 크기가 작은 프로세스인데 막상 실행해보니 많은 프레임을 필요로 하면?
    → 결국 프로세스가 필요로하는 프레임 수는 실행해봐야 안다
  • 작업 집합 모델 기반의 프레임 할당 - 동적 할당 방식
    • 프로세스가 실행하는 과정에서 배분할 프레임 결정
    • 스레싱이 발생하는 이유는 빈번한 페이지 교체 때문
      • 그렇다면 CPU가 특정 시간 동안 주로 참조한 페이지 개수만큼만 프레임을 할당하면 된다
    • ‘프로세스가 일정 기간 동안 참조한 페이지 집합’을 기억하여 빈번한 페이지 교체를 방지
      • 작업 집합이란 “실행 중인 프로세스가 일정 시간 동안 참조한 페이지의 집합”
    • 작업 집합을 구하려면
      1. 프로세스가 참조한 페이지
      2. 시간 간격이 필요함
  • 페이지 폴트 빈도 기반의 프레임 할당 - 동적 할당 방식
    • 프로세스가 실행하는 과정에서 배분할 프레임 결정
    • 페이지 폴트율에 상한선과 하한선을 정하고, 그 내부 범위 안에서만 프레임을 할당하는 방식
    • 두 개의 가정에서 생겨난 아이디어
      1. 페이지 폴트율이 너무 높으면 그 프로세스는 너무 적은 프레임을 갖고 있다
      2. 페이지 폴트율이 너무 낮으면 그 프로세스가 너무 많은 프레임을 갖고 있다
         • • • • 1. • • • • 1. • • • •  

 

 

 

 

 

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『혼자 공부하는 컴퓨터 구조+운영체제』 강의 내용을 기반으로 작성된 글입니다