[OS] Operating System(9-3): Main Memory - Swapping

🍀 운영체제 전공 수업 정리

프로세스들이 돌고있는데 물리적인 메모리가 부족할 때 어떻게 해결할 수 있을까?

즉, 메모리 부족 문제를 해결하기 위한 기법이 Swapping

Swapping

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📚Swapping: 돌고 있는 프로세스를 일시적으로 backing store(보조 저장장치)로 내보내고, 필요할 때 다시 메모리로 가져오는 방식

✅모든 프로세스들의 물리적 메모리 공간 합계가 실제 물리 메모리를 초과할 수 있게 만드는 기술

schematic of Swapping

type of swapping

• Swapping = Standard Swapping

✅Swapping 과정:

1. 메모리 부족 감지
2. 희생자 선택: Swap out할 프로세스 결정(낮은 우선순위)
3. Swap out: 프로세스를 Backing store로 이동
4. 메모리 할당: 새로운 프로세스에게 메모리 제공

• Backing Store: 모든 사용자의 메모리 이미지 사본을 수용할 수 있을 만큼 큰 fask disk
• Transfer Time: Swapping time의 주요 부분, 스와핑되는 메모리 양에 정비례

• Direct Access: Backing store는 메모리 이미지에 대한 직접 접근을 제공해야 함

• Roll Out, Roll In: 우선순위 기반 스케줄링 알고리즘에서 사용되는 스와핑 변형
  • Roll Out: 낮은 우선순위 프로세스를 스와핑 아웃
  • Roll In: 높은 우선순위 프로세스를 로드하여 실행
  • 목적: CPU 스케줄링 효율성 향상

📝Ready Queue 관리

• 시스템은 **디스크에 메모리 이미지가 있는 ready-to-run process들의 ready queue를 유지**한다

backing store에 있던 프로세스가 같은 physical address로 돌아와야 하나?

→ 주소 바인딩 방법에 따라 다름!
I/O는 나갔다 들어올 때 같은 주소로 들어와야하기 때문에 주소 바인딩에 따라 요구될 수도 있다. 그래서 커널에 사용되게 끔 하고 있다는 것이다

⚙️현대 시스템에서의 Swapping:

• Modified Swapping (UNIX, Linux, Windows)
• 일반적으로 비활성화
• 현재 프로세스 일부를 내보내지 않으면 deadlock을 갈 때, 즉 임계점(threshold)일때 할 수 없이 내보내야함

Context Switch Time including Swapping

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Context Switching은 CPU가 한 프로세스에서 다른 프로세스로 전환하는 과정인데, Swapping이 포함되면 시간이 극적으로 증가함

만약 다음에 CPU에서 실행될 프로세스가 메모리에 없는 경우

• 필요한 작업: 현재 process를 swap out + target process를 swap in
• → Context switch time can then be very high

구체적 계산 예시

✅스와핑 메모리 양을 줄여서 성능을 최적화 할 수 있다

• 실제로 사용되는 메모리 양을 파악하여 불필요한 스와핑 방지
• System call을 통한 메모리 사용 추적
  • request_memory() - 메모리 요청 시 OS에 알림
  • release_memory() - 메모리 해제 시 OS에 알림

❌Swapping의 제약 사항:

• pending I/O 문제: I/O 작업이 진행 중인 프로세스는 Swapping 불가능(I/O가 잘못된 프로세스에 발생할 수 있기 때문)

• 해결책: double buffering

  • 항상 I/O를 커널 공간으로 먼저 전송 후, I/O 장치로 전송
  • 단점: overhead 발생

현대 OS에서는 standard Swapping은 사용 X Modified Version만 사용함

Swapping on Mobile Systems

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모바일에서는 swapping이 더 복잡해진다

• Flash memory 기반
  • 공간이 작고 write cycle이 한정되어 있기 때문에 모바일의 CPU와 flash memory 사이에 처리량이 엄청 작다

메모리 관리 대안

• 공통 기법: Memory Compression
  • 사용 빈도가 낮은 메모리 페이지를 압축

Swapping with Paging

✅Paging의 장점:

• 선택적 스와핑: 필요한 페이지만 이동
• 빠른 성능
• 효율적 메모리 사용

Intel 32 and 64-bit Architectures

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Pentium CPU는 32-bit IA-32 아키텍처이고, 현재 Intel CPU는 64-bit IA-64 아키텍처

각 아키텍쳐의 구조를 알아보자

Intel IA-32 Architecture

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• Intel IA-32는 Segmentation + Paging 두 방식 모두 지원
• segment 크기: 최대 4GB
• 프로세스 당 segment 개수: 최대 16K개
• 페이지 크기: 4KB or 4MB
• 두 파티션으로 분할:
  • 첫 번째 8K: Private segment(kept in local descriptor table(LDT))
  • 두 번째 8K: Shared segment(kept in global descriptor table(GDT))

⚙CPU logical address = (selector(16bits), offset(32bits))

• Selector 구성:

  LTD, GTD의 각 엔트리는 8bytes segment descriptor로 구성
  여기에는 segment의 base location과 limit 정보가 포함됨

주소 변환 과정 + linear address 구성

• Segmentation

  IA-32 Segmentation

• Paging 아키텍쳐:

  IA-32 Paging Architecture

Page Address Extensions (PAE)

📚Page Address Extensions (PAE): 32-bit address limit으로 intel이 만든 확장 기술

• 32-bit apps이 4GB 이상의 메모리 공간에 접근 가능

✅주요 변화:

• 3-level Scheme: Paging이 3-level로 확장
• Top 2 bits가 page directory pointer table 참조
• 64-bit entry: Page-directory와 page-table 엔트리 크기 확장
• 36-bits - 64GB 물리 메모리까지 확장

PAE Structure

Intel IA-64 Architecture

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Intel x86-64는 현재 세대 Intel x86 아키텍처로, 64-bit 컴퓨팅의 현대적 구현

• 이론적 주소: 64bits(> 16 exabytes) 엄청 큼!
• 실제 구현: 48bit 주소만 사용
• page size: 4KB, 2MB, 1GB

• paging level: 4-level hierarchy

• PAE 확장 기능
  • virtual addresses: 48bits (256TB)
  • physical addresses: 52bits (4PB)

Example: ARM Architecture