운영체제 - Virtual Memory Management

• 가상기억장치
   : 프로그램을 실행하는 동안 종종 프로그램 전체를 모두 사용하지 않는다.
   : 프로그램을 실행할 때 한 순간에 프로그램 전체를 필요로 하지 않는다.
   : overhead의 단점 때문에, VM은 Real-time(embedded) system에 부적합
  
  - 프로그램의 일부만 주기억장치에 있어도 실행이 가능하도록 하면 얻을 수 있는 장점
   : 프로그램은 더 이상 물리적 주기억장치 크기에 제한을 받지 않는다.
   : 각 프로그램이 적은 공간을 차지하므로 동시에 여러 프로그램을 주기억장치에 적재(multiprogramming degree 향상)
   : 프로그램을 적재하는데 걸리는 입출력 비용을 줄일 수 있다.
   : 가상기억장치는 요구 페이징(demand paging)기법을 이용하여 구현한다. 세그먼테이션과 결합하여 사용
  
  
• 요구 페이징
   : 스왑핑 + 페이징을 결합하여 사용
   : 프로세스 전체를 스왑하지 않고, 지연 스왑퍼(lazy swapper = pager)를 사용한다. 이 스왑퍼는 페이지가 필요할 경우에만 적재한다.
   : 주기억장치에 있는 페이지와 디스크에 있는 페이지를 구분하기 위해 유효비트 사용 (1 이면 주기억장치, 0 이면 디스크), TLB, 보호비트, 디스크의 일부분을 스왑 공간으로 사용
  
   
  
   ① 접근하는 페이지에 대해 페이지 테이블을 참조하면 유효비트가 현재 0이므로 페이지 결함 트랩(page fault trap) 발생
   ② 트랩이 발생하면 프로세스의 PCB를 검사하여 참조의 유효성을 검사. 즉, 디스크에 있는 페이지에 대한 참조인지 프로세스의 가상 주소 공간을 벗어난 참조인지를 검사한다. 후자이면 프로세스 종료.
   ③ 빈 프레임을 찾는다.
   ④ 디스크 입출력을 이용하여 페이지를 프레임에 적재한다.
   ⑤ 디스크 입출력이 종료되면 프로세스의 내부 테이블과 페이지 테이블을 수정한다.
   ⑥ 페이지 결합 트랩을 발생시킨 명령어를 다시 수행한다.
  
    ■ Effective Access Time (EAT)
     : (1-p) * Memory Access Time + p * Page Fault Time (p, Page fault rate 0 <= p <= 1)
     : Page Fault Time = page fault overhead + swap page out + swap page in + restart overhead
  
    ■ Copy-on-Write
     : 부모 프로세스가 자식 프로세스를 생성할때 부모 프로세스의 주소 공간을 복사하는 것은 낭비, 변경된 페이지 내용만 복사하고 나머지는 모두 공유
  
   
  
  
• 페이지 교체
   : 10 페이지 크기의 프로세스가 실제 5 페이지만 사용하면 요구 페이징 기법은 디스크 입출력을 줄일 수 있고, 다중 프로그래밍의 정도를 높일 수 있다.
   : but, 다중 프로그래밍의 정도를 높이면 프레임 공간이 부족할 수 있다. 또한 주기억장치의 모든 프레임을 사용자 프로세스에게 할당해줄 수 없다.
   : 프로세스 종료, 프로세스 스왑 아웃, 페이지 교체 등으로 해결
   - 페이지 교체(page replacement)
     : 적재되어 있는 기존 페이지를 새 페이지로 교체한다.
     : 페이지 결함이 발생할 때 페이지 교체 절차
    
  
     ① 디스크에서 페이지의 위치를 찾는다.
     ② 빈프레임을 찾는다.
       : 있으면, 거기에 페이지를 적재
       : 없으면, 페이지 교체 알고리즘을 이용하여 희생 프레임을 선택한 다음 희생 프레임에 있는 페이지를 디스크에 쓰고, 프레임에 새 페이지를 적재한다. 
     ③ 페이지 테이블과 프레임 테이블을 변경한다.
     ④ 프로세스를 재개한다.
      : 빈 프레임이 없으면 항상 두 번의 디스크 입출력이 필요하다. 디스크 입출력은 변경 비트를 이용하여 줄 일 수 있다.(하드웨어적으로 구현)
      : 제공되어야 하는 두 가지 알고리즘
      - 프레임 할당 알고리즘
        : 한 프로세스에게 할당할 프레임의 수를 결정하는 알고리즘
        : Fixed allocation vs Priority allocation
        : Global allocation vs Local allocation (다른 프로세스의 페이지 vs 자신의 페이지)
    - 페이지 교체 알고리즘
     : 빈 프레임이 없을 때 희생자를 선택하는 알고리즘
    
   ■ FIFO (First-In-First-Out)
    : 가장 오래전에 들어온 페이지가 선택
    : Belady의 모순: 프레임 수가 증가하면 페이지 결함 발생 수는 감소해야 정상인데 증가하는 경우가 있음
   ■ Optimal
    : 가장 오래 동안 사용되지 않을 페이지가 희생자로 선택
    : 미래를 예측하기 힘들다
   ■ LRU (Least-Recently Used)
    : 가장 오래전에 참조한 페이지가 희생자로 선택
    : 가장 널리 사용 됨 
   ■ LRU-Approximation
    : 충분한 하드웨어 지원이 없을 경우
    : Additional-Reference-Bits, Second-Chance, Enhanced Second-Chance
   ■ Counting-Based
    : LFU, MFU


• 스레싱
   : 계속하여 페이지 결함이 발생하는 현상을 스레싱이라 한다. 실행하는 시간보다 페이지 결함을 처리하는 시간이 더 많아지면 이 현상이 발생하였다고 한다.
   : 프로세스에 할당된 프레임 수가 필요한 최소의 프레임 수 이하로 내려가면 스레싱 발생
   : 다중 프로그래밍 정도 <-> CPU 사용 효율, 반비례 관계
   : 지역성 모델(locality model): 이 모델에 의하면 프로세스는 실행되는 동안 한 지역에서 다른 지역으로 이동한다. 여기서 지역이란 현재 활동적으로 사용하고 있는 페이지들의 집합을 말한다. 현재 프로세스의 지역을 수용할 수 있는 만큼의 프레임을 할당해주면 스레싱은 발생하지 않는다.
   ■ 작업 집합 모델 
    : 지역성 가정에 기반한 모델