세그멘테이션 & 페이징 기법

운영체제는 프로세스가 복잡한 메모리의 구조를 몰라도 사용할 수 있고,

또 특정 프로세스가 다른 프로세스의 메모리에 접근하는 것을 막기 위해서 가상 메모리라는 개념을 제공한다.

이를 통해 프로세스는 스스로의 주소 공간을 가상 메모리에 위치시키는 방식으로 메모리를 사용할 수 있다.

이제 운영체제가 해야하는 일은 가상 메모리와 실제 물리 메모리를 매핑하는 일인데, 

여기서 이를 어떤 방식으로 수행하느냐에 따라 발생할 수 있는 수많은 문제들이 존재한다.

만약 각 프로세스의 주소 공간을 배치 그대로 물리 메모리에 옮긴다면 단편화라고 불리는 문제가 발생할 수 있다.

일반적으로 주소 공간에서 힙과 스택은 서로를 향해 확장되는 구조를 갖는데, 이는 힙과 스택 사이의 빈공간이 존재한다는 것이다.

이 구조를 그대로 물리 메모리에 옮겨 놓는다면 실제로 사용하지 않는 부분까지 물리 메모리를 차지하게 된다.

이는 분명한 비효율이고 이러한 문제를 내부 단편화라고 부른다.

여담으로, 이러한 방식을 동적 재배치 방식이라고 부른다.

출처: https://devforyou.tistory.com/77?category=551746

 

세그멘테이션

위에서 발생한 문제는 세그멘테이션이라고 불리는 기법을 통해 해소가 가능하다.

세그멘테이션이란 간단히 말해 프로세스의 주소 공간을 구성하는 요소들을 분리하여

물리 메모리 상에 불연속적으로 배치하는 방식을 의미한다.

그림으로 예를 들자면 아래와 같다. 

출처: https://truemind5.blogspot.com/2017/05/14-3.html

그림에서 S0~S4는 특정 프로세스의 세그먼트 각각을 의미한다. 

실제 메모리에는 S0~S4가 연속적으로 할당되는 것이 아닌, 세그먼트 단위로 불연속적이게 할당된다.

할당 정보는 세그먼트 테이블에 저장되고, 베이스와 크기가 저장되어 이후 요청에서 활용하게 된다.

해당 방식을 통하면 실제 세그먼트들에 할당되어 있는 만큼만 물리 메모리를 차지하게 되어 내부 단편화 문제가 해소된다.

또한 각 세그먼트 별로 베이스, 크기만 저장하면 되기 때문에 관리적인 측면에서도 장점이 존재한다.

다만 세그먼트의 크기가 모두 다르고, 또 가변이라는 특징에 의해 외부 단편화라는 문제가 발생한다.

외부 단편화는 쉽게 말해 물리 메모리 상에서 세그먼트 사이사이에 존재하는 빈 공간으로 인해 발생하는 비효율에 관한 문제이다.

만약 물리 메모리 공간에 세그먼트들이 모두 30KB의 간격을 둔 채 할당되어있다고 가정하자.

만약 물리 메모리 공간을 채우는 세그먼트들의 개수가 100개라면, 총 3000KB(3MB)의 빈 공간이 존재하는 셈이다.

이러한 상황에서 40KB의 세그먼트를 물리 메모리에 추가한다면?

물리 메모리 상에는 40KB의 연속적인 빈 공간이 존재하지 않기 때문에 총 3MB의 빈 공간이 존재함에도 불구하고 40KB 세그먼트를 추가할 수 없는 문제가 발생한다. 

이러한 상황을 외부 단편화라고 일컫으며, 세그멘테이션 방식에서는 최적 적합, 최악 적합, 최소 적합, 버디 알고리즘을 통해 이러한 빈공간을 관리하는 기법들이 존재한다.

하지만 어떻게 하더라도 세그멘테이션 기법에서는 외부 단편화를 피할 수는 없다.

 

페이징

외부 단편화의 원인인 가변 크기 요소 방식을 피하기 위해 페이징 기법을 사용할 수 있다.

페이징 기법이란 물리 메모리와 가상 메모리(프로세스 주소 공간)를 모두 일정한 크기의 조각(페이지)로 나누어 관리하는 방식을 의미한다.

모든 페이지들은 각자의 번호를 가지며, 이 번호와 실제 메모리 주소를 매핑한 페이지 테이블을 통해 관리가 이루어진다.

페이징 기법에서는 모든 페이지의 크기가 고정되어 있기 때문에 외부 단편화 문제가 발생하지 않는다. 

다만, 페이지들의 크기가 실제 주로 사용되는 메모리 크기에 핏하지 않는다면 내부 단편화 문제가 발생할 수 있다.

이를 해결하기 위해서는 페이지의 크기 단위를 줄이면 되지만,

이 경우에는 페이지 테이블의 크기가 너무 커져서 되려 성능이 더 내려갈 수가 있다.

 

결론

동적 재배치 기법의 단편화 문제에서 시작하여

이에 대한 방안으로 세그멘테이션과 페이징 기법을 알아보았다.

물론 해당 기법들을 사용한다고 단편화 문제가 완전히 해결되지는 않으며, 심지어는 어느정도 Trade-off가 존재한다.

근래에는 이 두 기법의 장단을 조화롭게 활용하기 위해 페이지-세그멘테이션 기법을 활용하기도 한다.

다만, 이를 다룰 경우 글이 너무 길어지기 때문에 이만 줄이도록 하겠다.