컴퓨터 시스템 : CSAPP 9장 정리 - 9.1 ~ 9.2

Chapter 9: Virtual Memory (가상 메모리)

가상 메모리는 현대 시스템에서 매우 중요한 메모리 추상화 개념이다. 이 추상화는 각 프로세스에게 독립적이고 균일한 메모리 주소 공간을 제공하며, 다음 세 가지 주요 기능을 제공한다:

1. 캐싱 도구로서의 VM
   메모리에 전부 올려놓기에는 프로그램이 너무 크거나, 메모리가 부족할 수 있다. 가상 메모리는 주기억장치를 디스크 기반의 큰 주소 공간에 대한 캐시로 사용함으로써 효율적인 메모리 사용을 가능하게 한다.
2. 메모리 관리 도구로서의 VM
   사용자 수준의 메모리 할당자 (예: malloc) 구현에 도움을 준다. 가상 메모리를 사용하면 프로그램은 큰 연속적인 주소 공간을 가지고 있는 것처럼 보이므로, 다양한 할당 전략이 가능하다.
3. 메모리 보호 도구로서의 VM
   하나의 프로그램이 다른 프로그램의 메모리를 침범하는 것을 방지한다. 운영체제가 각 프로세스에 대해 별도의 가상 주소 공간을 제공함으로써, 보호가 가능하다.

가상 메모리는 이러한 기능들을 대부분 자동으로 처리한다. 하지만 이를 이해하면 프로그램의 성능, 안정성, 그리고 디버깅 능력이 향상된다.

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9.1절 물리 주소와 가상 주소 (Physical and Virtual Addressing)

메모리에 접근하는 방식은 크게 두 가지가 있다: 물리 주소 방식과 가상 주소 방식이다.

물리 주소 방식 (Physical Addressing)

• 메모리는 0번부터 M-1번까지 연속된 바이트로 구성되어 있으며, 각 바이트는 고유한 물리 주소를 가진다.
• CPU가 메모리에 접근할 때, 명령어는 직접 물리 주소를 참조한다.
• 단순하지만, 다중 프로세스 환경에서 메모리 보호나 관리 기능이 없다.
• 초기 컴퓨터 시스템, DSP, Cray 슈퍼컴퓨터에서 사용되었다.

가상 주소 방식 (Virtual Addressing)

• 대부분의 현대 시스템은 가상 주소 방식을 사용한다.
• CPU가 메모리에 접근할 때, 직접 물리 주소를 사용하는 것이 아니라, 가상 주소(Virtual Address, VA) 를 생성한다.
• 생성된 VA는 주소 변환(Address Translation) 을 통해 물리 주소(Physical Address, PA) 로 변환된다.
• 이 변환은 MMU(Memory Management Unit)라는 하드웨어에 의해 수행되며, 운영체제가 관리하는 페이지 테이블을 사용한다.
• 이 덕분에 각 프로세스는 고립된 메모리 공간을 가지게 되며, 보안성과 안정성이 향상된다.

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9.2 Address Spaces (주소 공간)

주소 공간(Address Space)은 0 이상의 정수 주소들로 구성된 순서 있는 집합이다. 일반적으로는 연속적인 주소 집합을 가정하며, 이를 선형 주소 공간(linear address space)이라고 부른다.

가상 주소 공간 (Virtual Address Space)

• 가상 메모리를 사용하는 시스템에서 CPU는 N = 2ⁿ개의 주소로 이루어진 가상 주소 공간에서 주소를 생성한다.
• 이 N은 가상 주소 공간의 크기를 뜻하며, n비트 주소 공간이라고 한다.
  • 예: 32비트 주소 공간은 최대 2³²개의 주소를 포함하며, 이는 4GB 메모리를 뜻한다.
  • 64비트 주소 공간은 2⁶⁴개의 주소를 포함할 수 있다.
• 현대 시스템은 보통 32비트 또는 64비트 가상 주소 공간을 지원한다.

물리 주소 공간 (Physical Address Space)

• 시스템은 물리 메모리(RAM)에 존재하는 M 바이트의 물리 주소 공간을 가진다.
• 이는 {0, 1, 2, ..., M-1}로 표현된다.
• M은 꼭 2의 제곱일 필요는 없지만, 설명의 편의를 위해 보통 M = 2ᵐ이라고 가정한다.

가상 메모리의 핵심 아이디어

• 각 데이터 바이트는 가상 주소와 물리 주소라는 두 개의 독립된 주소를 가질 수 있다.
• 즉, 같은 데이터를 가상 주소와 물리 주소 두 방식으로 바라볼 수 있다.
• 이는 바이트(데이터 객체)와 주소(속성)를 분리해서 생각하는 추상화의 결과다.
• 하나의 메모리 바이트에 대해, 여러 개의 주소 공간에서 독립적으로 주소를 지정할 수 있다는 개념이 바로 가상 메모리의 기본이다​.