CPU와 프로세스는 메모리의 실제 주소를 직접 다루지 않는다. 대신 논리 주소와 가상 메모리를 통해 메모리를 관리한다. 이 글에서는 가상 메모리의 개념과 페이징 기법을 다룬다.

1️⃣ 물리 주소와 논리 주소

주소 체계의 필요성

CPU와 프로세스는 메모리에 무엇이 저장되어 있는지 모두 알고 있지 않다. 그 이유는 다음과 같다:

• CPU 내부의 레지스터 용량이 메모리보다 훨씬 작음
• 프로세스는 실시간으로 메모리에 적재되고 삭제됨
• 메모리 정보가 시시때때로 변경됨

따라서 CPU는 메모리의 실제 주소가 아닌 다른 주소 체계를 사용한다.

1-1 물리 주소 (Physical Address)

물리 주소는 메모리 하드웨어 상의 실제 주소를 의미한다.

• 메모리에 실제로 존재하는 주소
• 중복되는 물리 주소의 번지 수는 존재하지 않음

1-2 논리 주소 (Logical Address)

논리 주소는 프로세스마다 부여되는 0번지부터 시작하는 주소 체계다.

📊 논리 주소의 특징

• 각 프로세스는 독립적인 논리 주소 공간을 가짐
• 모든 프로세스가 0번지부터 시작하는 주소를 가짐
• 중복되는 논리 주소의 번지 수는 얼마든지 존재 가능

웹 브라우저: 논리 주소 0번지 ~ 1000번지
메모장:      논리 주소 0번지 ~ 500번지
게임:        논리 주소 0번지 ~ 2000번지

MMU (Memory Management Unit)

논리 주소와 물리 주소 간의 변환을 위해 MMU가 존재한다.

1-3 MMU의 역할

MMU는 CPU와 메모리 사이에 위치하여 논리 주소를 물리 주소로 변환하는 하드웨어다.

CPU (논리 주소) → MMU → 메모리 (물리 주소)

💡 주소 변환의 필요성

CPU는 논리 주소로 통신하고 메모리는 물리 주소로 통신한다. 두 장치가 원활하게 통신하려면 MMU를 통한 주소 변환이 필수적이다.

2️⃣ 스와핑 (Swapping)

스와핑의 개념

스와핑은 메모리에 적재된 프로세스를 보조기억장치로 이동시키는 메모리 관리 방식이다.

2-1 스와핑이 필요한 경우

다음과 같은 프로세스는 메모리에 계속 있을 필요가 없다:

• 입출력 작업으로 대기 상태가 된 프로세스
• 오랫동안 사용되지 않은 프로세스

2-2 스왑 영역 (Swap Space)

스왑 영역은 보조기억장치의 일부 영역으로, 메모리에서 쫓겨난 프로세스가 임시로 저장되는 공간이다.

macOS에서 스왑 영역 확인

활성 상태 보기 → 메모리 탭
사용된 스왑 공간: 0바이트

Linux에서 스왑 영역 확인

$ free -h
              total        used        free      shared  buff/cache   available
Mem:           15Gi       8.2Gi       1.5Gi       589Mi       5.8Gi       6.5Gi
Swap:         2.0Gi       256Mi       1.7Gi

2-3 스왑 인/아웃

⚠️ 중요한 특징

스왑 아웃되었던 프로세스가 다시 스왑 인될 때는 스왑 아웃되기 전의 물리 주소와 다른 주소에 적재될 수 있다.

3️⃣ 연속 메모리 할당과 외부 단편화

연속 메모리 할당

연속 메모리 할당은 프로세스에 연속적인 메모리 공간을 할당하는 방식이다.

메모리: [프로세스 A][프로세스 B][프로세스 C][빈 공간]

3-1 외부 단편화 (External Fragmentation)

외부 단편화는 프로세스 바깥에 생기는 사용 불가능한 빈 공간을 의미한다.

🚨 문제 상황

메모리: [프로세스 A][빈 공간 30MB][프로세스 B][빈 공간 20MB]

새 프로세스 C (50MB) 적재 시도
→ 총 빈 공간: 50MB
→ 연속된 빈 공간이 없어 적재 불가능

프로세스의 실행과 종료를 반복하며 메모리 사이에 빈 공간이 생기고, 이러한 빈 공간들은 분명 비어있지만 큰 프로세스를 적재하기 어려워 메모리 낭비로 이어진다.

4️⃣ 가상 메모리 (Virtual Memory)

가상 메모리는 실행하고자 하는 프로그램의 일부만 메모리에 적재해, 실제 메모리보다 더 큰 프로세스를 실행할 수 있도록 만드는 메모리 관리 기법이다.

가상 메모리의 특징

• 보조기억장치의 일부를 메모리처럼 사용
• 프로세스의 일부만 메모리에 적재
• 메모리를 실제 크기보다 더 크게 보이게 함

💡 가상 주소 공간 (Virtual Address Space)

가상 메모리 기법으로 생성된 논리 주소 공간을 가상 주소 공간이라고도 부른다.

가상 메모리 관리 기법

대표적인 가상 메모리 관리 기법은 다음과 같다:

• 페이징 (Paging): 일정한 크기로 분할
• 세그멘테이션 (Segmentation): 가변적인 크기로 분할

이 중 더 범용적으로 사용되는 페이징에 대해 자세히 알아본다.

5️⃣ 페이징 (Paging)

페이징은 프로세스의 논리 주소 공간을 페이지라는 일정한 단위로 나누고, 물리 주소 공간을 프레임이라는 단위로 나눈 뒤 페이지를 프레임에 할당하는 기법이다.

페이징의 구성 요소

5-1 페이징의 핵심 특징

🔑 불연속 할당

프로세스를 구성하는 페이지는 물리 메모리 내에 불연속적으로 배치될 수 있다.

논리 주소: [페이지 0][페이지 1][페이지 2][페이지 3]
             ↓       ↓       ↓       ↓
물리 주소: [프레임 5][프레임 2][프레임 7][프레임 1]

✅ 외부 단편화 해결

페이지라는 일정한 크기로 프로세스를 분할하여 불연속적으로 할당하면, 연속 메모리 할당처럼 프로세스 바깥에 빈 공간이 생기지 않는다.

페이징에서의 스와핑

페이징 시스템에서는 프로세스 전체가 아닌 페이지 단위로 스왑 인/아웃된다.

5-2 메모리보다 큰 프로세스 실행

프로세스의 일부 페이지는 메모리에, 일부는 보조기억장치에 적재될 수 있다.

프로세스 A의 페이지:
- 페이지 0, 1, 2: 메모리에 적재 (페이지 인)
- 페이지 3, 4, 5: 보조기억장치에 적재 (페이지 아웃)

이는 프로세스 전체가 메모리에 적재될 필요가 없다는 것을 의미하며, CPU 입장에서 바라본 논리 메모리의 크기가 실제 메모리보다 클 수 있다.

💡 세그멘테이션 (Segmentation)

세그멘테이션은 프로세스를 가변적인 크기의 세그먼트 단위로 분할하는 방식이다:

• 유의미한 논리적 단위로 분할 (코드 영역, 데이터 영역 등)
• 세그먼트의 크기가 일정하지 않아 외부 단편화 발생 가능
• 페이징보다 논리적 구조를 반영하기 쉬움

6️⃣ 페이지 테이블 (Page Table)

물리 메모리 내에 페이지가 불연속적으로 배치되면, CPU는 다음으로 실행할 페이지의 위치를 찾기 어렵다. 이를 해결하기 위해 페이지 테이블을 사용한다.

페이지 테이블의 역할

페이지 테이블은 프로세스의 페이지와 실제로 적재된 프레임을 짝지어주는 정보다.

페이지 번호 → 페이지 테이블 → 프레임 번호

6-1 페이지 테이블의 특징

• 페이지 번호와 프레임 번호가 대응됨
• 프로세스마다 독립적인 페이지 테이블을 가짐
• CPU는 페이지 테이블을 참조하여 메모리에 접근

페이지 테이블 엔트리 (PTE)

페이지 테이블 엔트리는 페이지 테이블을 구성하는 각 행을 의미한다.

6-2 PTE의 구성 요소

유효 비트 (Valid Bit)

페이지가 메모리에 적재되어 있는지 여부를 나타낸다.

보호 비트 (Protection Bit)

페이지 접근 권한을 나타낸다.

r (Read): 읽기 가능
w (Write): 쓰기 가능
x (Execute): 실행 가능

예시:
100 → 읽기만 가능
111 → 읽기, 쓰기, 실행 모두 가능

참조 비트 (Reference Bit)

CPU가 해당 페이지에 접근한 적이 있는지 여부를 나타낸다.

수정 비트 (Modified Bit / Dirty Bit)

해당 페이지에 데이터를 쓴 적이 있는지 여부를 나타낸다.

페이지 폴트 (Page Fault)

페이지 폴트는 CPU가 메모리에 적재되지 않은 페이지(유효 비트가 0인 페이지)에 접근하려 할 때 발생하는 예외다.

6-3 페이지 폴트 처리 과정

1. 기존 작업 내역을 백업
2. 페이지 폴트 처리 루틴 실행
   • 원하는 페이지를 메모리로 적재
   • 유효 비트를 1로 변경
3. 메모리에 적재된 페이지를 실행

Windows에서 페이지 폴트 확인

리소스 모니터 → 메모리 탭 → 페이지 폴트/초

내부 단편화 (Internal Fragmentation)

내부 단편화는 페이지 내부에서 발생하는 메모리 낭비를 의미한다.

6-4 내부 단편화 발생 원인

모든 프로세스의 크기가 페이지 크기의 배수가 아니기 때문에 발생한다.

페이지 크기: 10KB
프로세스 크기: 107KB

필요한 페이지 수: 11개 (10KB × 10 + 7KB)
마지막 페이지: 7KB만 사용, 3KB 낭비 ← 내부 단편화

💡 외부 단편화 vs 내부 단편화

구분	설명	발생 위치
외부 단편화	프로세스 바깥의 빈 공간	연속 메모리 할당에서 발생
내부 단편화	페이지 내부의 낭비되는 공간	페이징에서 발생

7️⃣ 페이지 테이블 관리

PTBR (Page Table Base Register)

PTBR은 프로세스의 페이지 테이블이 적재된 메모리 상의 위치를 가리키는 레지스터다.

7-1 PTBR의 특징

• 프로세스마다 다른 값을 가짐
• PCB에 기록됨
• 문맥 교환 시 변경됨

프로세스 A 실행: PTBR → 프로세스 A의 페이지 테이블
프로세스 B 실행: PTBR → 프로세스 B의 페이지 테이블

페이지 테이블 관리의 문제점

모든 프로세스의 페이지 테이블을 메모리에 두는 것은 비효율적이다:

1. 메모리 접근 횟수 증가: 페이지 테이블 접근 + 실제 프레임 접근 = 2회
2. 메모리 용량 낭비: 페이지 테이블이 상당한 메모리 공간을 차지

7-2 TLB (Translation Lookaside Buffer)

TLB는 페이지 테이블의 캐시 메모리로, 자주 사용하는 페이지 테이블 엔트리를 저장한다.

🚀 TLB 동작 방식

TLB 히트 (TLB Hit):
논리 주소 → TLB에서 프레임 번호 찾음 → 메모리 1회 접근

TLB 미스 (TLB Miss):
논리 주소 → TLB에 없음 → 페이지 테이블 확인 → 메모리 2회 접근

✅ TLB의 장점

• 참조 지역성의 원리에 근거하여 동작
• TLB 히트 시 메모리 접근 횟수를 절반으로 감소
• TLB 히트율을 높이면 전체 성능 향상

7-3 계층적 페이징 (Hierarchical Paging)

계층적 페이징은 페이지 테이블을 페이징하는 방식으로, 다단계 페이지 테이블이라고도 한다.

🎯 계층적 페이징의 목적

페이지 테이블의 크기가 크므로 모든 페이지 테이블을 메모리에 유지하는 것은 메모리 낭비다. 계층적 페이징을 사용하면 필요한 페이지 테이블만 메모리에 유지할 수 있다.

📊 2단계 페이징 구조

Outer 페이지 테이블 (메모리에 항상 유지)
    ↓
Inner 페이지 테이블 (필요 시 메모리에 적재)
    ↓
실제 프레임

✅ 계층적 페이징의 장점

• Outer 페이지 테이블만 메모리에 유지
• Inner 페이지 테이블의 일부는 보조기억장치에 저장 가능
• 메모리 사용량 감소

💡 다단계 페이징

페이지 테이블의 계층은 2단계뿐만 아니라 3단계, 4단계, 그 이상으로도 구성될 수 있다. 계층이 깊어질수록 메모리 사용량은 감소하지만, 메모리 접근 횟수는 증가한다.

8️⃣ 페이징 주소 체계

페이징 시스템의 논리 주소는 <페이지 번호, 변위>의 형태로 구성된다.

논리 주소의 구성

8-1 주소 변환 과정

논리 주소: <페이지 번호, 변위>
    ↓
페이지 테이블 참조
    ↓
물리 주소: <프레임 번호, 변위>

주소 변환 예시

다음과 같은 상황을 가정한다:

• 하나의 페이지/프레임: 4개의 주소로 구성
• 페이지 테이블:

  페이지 0 → 프레임 5
  페이지 1 → 프레임 4
  페이지 2 → 프레임 6
  페이지 3 → 프레임 2
  페이지 4 → 프레임 7
  페이지 5 → 프레임 1

8-2 주소 변환 계산

CPU가 논리 주소 <5, 2>에 접근하는 경우:

1. 페이지 5는 프레임 1에 적재됨
2. 프레임 1은 물리 주소 8번지부터 시작 (1 × 4 = 4번지부터 시작하는 프레임 1)
3. 변위 2를 더하면 10번지
4. 최종 물리 주소: 10번지

논리 주소 <5, 2>
    ↓
페이지 5 → 프레임 1 (물리 주소 8번지~11번지)
    ↓
물리 주소: 8번지 + 2 = 10번지

9️⃣ 요구 페이징 (Demand Paging)

요구 페이징은 메모리에 필요한(요구되는) 페이지만을 적재하는 기법이다.

요구 페이징의 동작 방식

1. CPU가 특정 페이지에 접근하는 명령어를 실행
2. 페이지가 메모리에 있는 경우 (유효 비트 = 1):
   • CPU는 페이지가 적재된 프레임에 접근
3. 페이지가 메모리에 없는 경우 (유효 비트 = 0):
   • 페이지 폴트 발생
   • 페이지 폴트 처리 루틴 실행
   • 해당 페이지를 메모리로 적재
   • 유효 비트를 1로 설정
4. 1번 과정 재수행

9-1 순수 요구 페이징 (Pure Demand Paging)

순수 요구 페이징은 아무런 페이지도 메모리에 적재하지 않은 채 프로세스를 실행하는 방식이다.

📊 순수 요구 페이징의 특징

• 프로세스의 첫 명령어 실행 순간부터 페이지 폴트 발생
• 실행에 필요한 페이지가 어느 정도 적재된 후 페이지 폴트 발생 빈도 감소

페이지 교체의 필요성

요구 페이징을 통해 페이지를 메모리에 적재하다 보면 언젠가는 메모리가 가득 찬다. 메모리가 가득 찬 상황에서 추가로 페이지를 적재하려면 일부 페이지를 스왑 아웃해야 한다.

🔟 페이지 교체 알고리즘

페이지 교체 알고리즘은 메모리에서 보조기억장치로 내보낼 페이지를 선택하는 방법이다.

페이지 교체 알고리즘의 중요성

좋은 페이지 교체 알고리즘은 페이지 폴트의 발생 빈도를 줄인다:

• 좋은 알고리즘: 사용되지 않을 페이지를 내보냄 → 페이지 폴트 적음
• 나쁜 알고리즘: 곧 사용될 페이지를 내보냄 → 페이지 폴트 빈번

⚠️ 스래싱 (Thrashing)

지나친 페이지 교체로 인해 프로세스가 실제 실행되는 시간보다 페이징에 더 많은 시간을 소요하여 성능이 저하되는 문제를 스래싱이라고 한다.

FIFO (First-In-First-Out)

FIFO 페이지 교체 알고리즘은 메모리에 가장 먼저 적재된 페이지부터 스왑 아웃하는 알고리즘이다.

10-1 FIFO의 특징

✅ 장점

• 아이디어와 구현이 간단함

⚠️ 단점

• 초기에 적재되어 줄곧 참조되고 있는 페이지를 스왑 아웃할 우려
• 머지않아 페이지 폴트 발생 가능

메모리 상태: [페이지 1][페이지 2][페이지 3]
새 페이지 4 적재 시: 페이지 1 교체 (가장 먼저 적재됨)
→ 페이지 1이 자주 사용되는 페이지라면 비효율적

최적 (Optimal)

최적 페이지 교체 알고리즘은 앞으로의 사용 빈도가 가장 낮은 페이지를 교체하는 알고리즘이다.

10-2 최적 알고리즘의 특징

✅ 장점

• 가장 낮은 페이지 폴트율 보장
• 이론적으로 최적의 성능

⚠️ 단점

• 앞으로 가장 적게 사용할 페이지를 미리 예측하기 어려움
• 실제 구현이 어려움

미래의 페이지 참조 순서를 알 수 없으므로
실제로는 구현 불가능

LRU (Least Recently Used)

LRU 페이지 교체 알고리즘은 가장 오래 사용하지 않은 페이지를 교체하는 알고리즘이다.

10-3 LRU의 특징

🎯 핵심 아이디어

최적 알고리즘이 "앞으로 가장 적게 사용할" 페이지를 교체한다면, LRU는 "과거에 가장 적게 사용한" 페이지를 교체한다.

✅ 장점

• 참조 지역성의 원리를 활용
• 최근에 사용된 페이지는 앞으로도 사용될 가능성이 높다는 가정
• 실제로 구현 가능하며 효율적
• 가장 보편적으로 사용됨

📊 LRU 동작 예시

메모리 상태: [페이지 1 (10초 전)][페이지 2 (5초 전)][페이지 3 (1초 전)]
새 페이지 4 적재 시: 페이지 1 교체 (가장 오래 전에 사용됨)

💡 페이지 교체 알고리즘 비교

알고리즘	기준	장점	단점
FIFO	적재 순서	구현 간단	자주 사용하는 페이지도 교체 가능
최적	미래 사용 빈도	최적의 성능	구현 불가능
LRU	과거 사용 시점	실용적이고 효율적	구현 복잡도가 상대적으로 높음

정리

가상 메모리의 핵심 개념을 정리하면 다음과 같다:

주소 체계

• 논리 주소: 프로세스가 사용하는 0번지부터 시작하는 주소
• 물리 주소: 메모리의 실제 주소
• MMU: 논리 주소를 물리 주소로 변환하는 하드웨어

메모리 관리 기법

• 스와핑: 프로세스를 메모리와 보조기억장치 간에 이동
• 페이징: 일정한 크기의 페이지/프레임 단위로 메모리 관리
• 요구 페이징: 필요한 페이지만 메모리에 적재

페이지 테이블

• 페이지와 프레임을 매핑하는 정보
• PTE에는 유효 비트, 보호 비트, 참조 비트, 수정 비트 포함
• PTBR로 페이지 테이블의 위치 관리
• TLB로 페이지 테이블 접근 속도 향상

페이지 교체 알고리즘

• FIFO: 먼저 적재된 페이지를 교체
• 최적: 앞으로 가장 적게 사용할 페이지를 교체 (이론적)
• LRU: 가장 오래 사용하지 않은 페이지를 교체 (실용적)