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가상 기억장치

보조기억장치 일부를 주기억장치처럼 사용하는 것. 현 운영체제에서 흔히 사용
주기억장치 용량보다 큰 프로그램 실행을 위해 사용
가상 기억장치에 저장된 프로그램 실행을 위해 가상 기억장치의 주소를 주기억장치 주소로 바꾸는 주소 변환작업(주소 매핑)이 필요
블록 단위로 나누어 사용하므로 단편화 해결 가능
기억장치 이용률 및 다중 프로그래밍 효율 향상
운영체제 설계 복잡, 주소 변환 테이블 사용으로 기억장소 낭비

가상 기억장치 구현 기법


페이징 (Paging) 기법	- 가상 기억장치의 프로그램과 주기억장치 영역을 동일한 크기로 나눠 프로그램(페이지)을 주기억장치 영역(페이지 프레임)에 적재시켜 실행 - 외부 단편화는 없으나 내부 단편화 발생 가능 - 페이지 맵 테이블 필요
세그먼테이션 (Segmentation) 기법	- 가상 기억장치의 프로그램을 다양한 크기의 논리적 단위로 나누어 주기억장치에 적재시켜 실행 - 프로그램을 배열, 함수 등 논리적 크기로 나눈 단위를 세그먼트라 하며, 세그먼트는 고유한 이름과 크기를 가짐 - 다른 세그먼트의 영역 침범할 수 없으며, 이를 위해 기억장치 보호키(Storage Protection Key)가 필요 - 내부 단편화는 없으나 외부 단편화 발생 - 세그먼트 맵 테이블 필요

주소 변환

논리적 가상주소를 물리적 실기억주소로 변환하는 것. 주소 사상 또는 주소 매핑(Mapping)이라고 함

페이지 교체 알고리즘

페이지 부재 발생 시 가상 기억장치의 필요한 페이지를 주기억장치에 적재할 때, 주기억 장치의 모든 페이지 프레임이 사용중일 경우 교체할 페이지 프레임을 결정하는 기법.


OPT (OPTimal Replacement, 최적 교체)	- 앞으로 오랫동안 사용하지 않을 페이지를 교체하는 기법 - 각 페이지의 호출 순서와 참조 상황을 예측해야 하므로 실현 가능성 희박
FIFO (First In First Out)	- 페이지가 주기억장치에 적재 시 시간을 기억하여, 가장 오래 있었던 페이지를 교체하는 기법 - 이해 및 설계가 간단 - 페이지 프레임 수가 많으면 페이지 부재의 수가 줄어드는 것이 일반적이나, 페이지 프레임 수를 증가시킬수록 페이지 부재가 많이 일어나는 벨레이디의 모순(Belady's Anomaly) 현상 발생
LRU (Least Recently Used)	- 최근 오랫동안 사용하지 않은 페이지를 교체하는 기법 - 페이지별 계수기나 스택을 두어 가장 오래 전에 사용된 페이지를 교체
LFU (Least Frequently Used)	- 사용 빈도가 가장 적은 페이지를 교체하는 기법 - 프로그램 실행 초기 많이 사용된 페이지가 이후 사용되지 않아도 프레임 차지 가능
NUR (Not Used Recently)	- 최근에 사용하지 않은 페이지를 교체하는 기법 - 최근 사용 여부를 확인하기 위해 페이지 별 참조 비트(Reference Bit)와 변형 비트(Modified Bit, Dirty Bit), 2개의 비트가 사용 - 참조 비트오 변형 비트의 값에 따라 교체 순서 결정
SCR (Second Chance Replacement)	가장 오랫동안 주기억장치에 있던 페이지 중 자주 사용되는 페이지의 교체를 방지하기 위한 기법, FIFO 기법의 단점을 보완

가상기억장치 기타 관리 사항

페이지 크기


페이지 크기가 작을 경우	- 페이지 단편화 감소, 페이지를 주기억장치로 이동하는 시간 감소 - 프로세스 수행에 필요 내용만 적재, Locality(국부성)에 일치하므로 기억장치 효율 증가 - 페이지 맵 테이블 크기 증가, 매핑 속도 감소 - 디스크 접근 횟수의 증가로 전체적인 입 · 출력 효율성 증가
페이지 크기가 클 경우	- 페이지 맵 테이블 크기 감소, 매핑 속도 증가 - 디스크 접근 횟수 감소로 전체적인 입 · 출력 효율성 증가 - 페이지 단편화 증가, 페이지를 주기억장치로 이동하는 시간 증가 - 프로그램 수행에 불필요한 내용도 적재

국부성(Locality, 구역성)

실행중인 프로세스가 주기억장치를 참조 시 일부 페이지만 집중적으로 참조하는 성질 이론
스래싱 방지를 위한 워킹 셋 이론의 기반
프로세스가 집중적으로 사용하는 페이지를 알아내는 방법, 가상 기억장치 관리의 이론적 근거
캐시 메모리 시스템의 이론적 근거
Locality 종류


시간 구역성 (Temporal Locality)	- 프로세스가 실행되며 한 페이지를 일정시간 집중 액세스하는 현상 - 시간 구역성이 이루어지는 기억장소 : Loop(반복, 순환), 스택(Stack), 부프로그램(Sub Routine), Counting(1씩 증감), Totaling(집계)에 사용되는 변수(기억장소)
공간 구역성 (Spatial Locality)	- 프로세스 실행 시 일정 위치의 페이지를 집중 액세스하는 현상 - 공간 구역성이 이루어지는 기억장소 : 배열 순회(Array Traversal), 순차적 코드의 실행, 프로그래머들이 관련된 변수(데이터를 저장할 기억장소)들을 서로 근처에 선언하여 할당되는 기억장소, 같은 영역에 있는 변수를 참조할 때 사용

워킹 셋 / 페이지 부재

워킹 셋(Working Set)

프로세스가 일정 시간 자주 참조하는 페이지의 집합
데닝(Denning)이 제안한 모델, 프로그램의 Locality(구역성) 특징을 이용
자주 참조되는 워킹 셋을 주기억장치에 상주시켜 페이지 부재 및 페이지 교체 현상 줄임
워킹 셋은 시간에 따라 바뀐다

페이지 부재

프로세스 실행 시 페이지가 주기억장치에 없는 현상

페이지 부재 빈도 (PFF : Page Fault Frequency)

페이지 부재 발생 횟수

페이지 부재 빈도 방식

페이지 부재율(Page Fault Rate)에 따라 주기억장치의 페이지 프레임 수를 조절하여 부재율을 적정 수준으로 유지

스래싱(Thrashing)

프로세스 처리 시간보다 페이지 교체 시간이 많아지는 현상
다중 프로그래밍 및 가상 기억장치 사용 시스템에서 프로세스 수행 중 페이지 부재가 자주 발생하여 나타나는 현상으로 전체 시스템 성능 저하
다중 프로그래밍의 정도 향상에 따라 CPU 이용률이 높아지나 특점 시점이후 스래싱 발생 및 CPU 이용률 급감

CPU 이용률을 증가 및 스래싱 방지법

다중 프로그래밍 정도 적정으로 유지
부족 자원 증설
일부 프로세스 중단
페이지 부재 빈도(Page Fault Frequency) 조절
Working Set 유지
적정 프레임 수 제공

디스크 스케줄링

디스크 상 여러곳의 데이터에 액세스하기 위해 디스크 헤드가 움직이는 경로를 결정하는 기법
디스크 스케줄링의 목적 : 처리량 최대화, 평균 응답 시간 최소화, 응답 시간 편차 최소화


FCFS (First Come First Service)	- 디스크 대기 큐에 가장 먼저 들어온 트랙을 먼저 서비스 하는 기법 - 들어온 순서대로 서비스하므로 더 높은 우선순위 요청에 의해 순서가 바뀌지 않아 공평성 보장
SSTF (Shortest Seek Time First)	- 탐색 거리가 가장 짧은 트랙 요청을 먼저 서비스하는 기법 - FCFS보다 처리량이 많고, 평균 탐색 시간이 짧음 - 탐색 패턴 편중으로 안쪽이나 바깥쪽 트랙이 가운데보다 서비스를 덜 받는 경향, 헤드에서 먼 요청은 기아 상태 발생 가능 - 일괄 처리 시스템에 유용
SCAN	- SSTF의 탐색 시간 편차 해소를 위한 기법 - 헤드의 위치에서 진행 방향 결정 시, 탐색 거리가 짧은 순서로 해당 방향의 모든 요청 서비스 후 역방향의 요청 서비스
C-SCAN (Circular SCAN)	- 항상 바깥쪽에서 안쪽으로 움직이며 가장 짧은 거리를 갖는 요청 서비스 기법 - 헤드가 트랙 바깥쪽에서 안쪽으로 한 방향으로만 움직이며 끝까지 서비스 후, 가장 바깥쪽으로 이동 후 다시 안쪽으로 요청 서비스
N-Step SCAN	SCAN기법의 무한 대기 발생 가능성 제거. 특정 방향 진행 시작 시 대기중이던 요청만 서비스하고, 진행 도중 도착한 요청은 다음의 반대 방향 때 서비스
에션바흐 (Eschenbach)	- 부하가 매우 큰 항공 예약 시스템을 위해 개발 - 탐색 시간과 회전 지연 시간을 최적화하기 위한 기법 - 헤드가 C-SCAN과 같이 움직이며, 모든 실린더는 전체 트랙이 한 바퀴 회전할 동안 서비스 받음
SLTF (Shortest Latency Time First)	- SLTF는 섹터 큐잉(Sector Queuing)이라고 하며, 회전 시간의 최적화를 위해 구현된 기법 - 디스크 대기 큐의 요청을 섹터 위치에 따라 재정렬, 가장 가까운 섹터를 먼저 서비스 - 헤드 이동이 없는 고정 헤드장치인 드럼과 같은 장치에서 사용
LOOK	SCAN기법에서 진행 방향의 마지막 요청 서비스 후 해당 방향 끝이 아닌 역방향으로 진행