강의노트 14-1. 가상 주소공간, 가상 메모리

13 Apr 2017 |

패스트캠퍼스 컴퓨터공학 입문 수업을 듣고 중요한 내용을 정리했습니다. 개인공부 후 자료를 남기기 위한 목적임으로 내용 상에 오류가 있을 수 있습니다.

가상주소공간, 가상메모리

모든 프로세스는 각각 4G의 가상 주소 공간 (메모리공간X) 을 부여받는다.
운영체제 약 2G, 나머지 약 2G 응용프로그램의 고유 영역
가상주소공간 virtual address space ≠ virtual memory
개발자는 이 가상주소공간 4G가 진짜 메모리인것 처럼 사용한다.
내 컴퓨터 RAM은 12G 인데 그럼 내가 실행할 수 있는 프로그램은 3개일까? -> 아니다
수업 자료- 가상주소공간&가상메모리

가상주소공간(virtual address space)

가상주소공간의 구조

code : 기계어 (코드를 컴파일하여 기계어로 만들고 디스어셈블을 하여 어셈블리어로 바꾸어 code 영역에 넣는다(instruction))
data : 전역변수, static 변수의 할당의 위해 존재하는 공간
heap : 프로그래머의 동적 할당을 위해 존재하는 공간
stack : 지역 변수가 저장되는 공간

views — 가상주소공간

page : 가상주소공간 4G를 4096byte(4K) 단위로 나눈 하나의 메모리 블록을 page라고 한다.
연산을 할 때는 값을 stack으로 부터 레지스터로 가져오고 ALU로 넘겨서 연산을 수행한다. 연산 결과 값은 레지스터에 먼저 저장하고, stack 영역에 재전달 한다.
레지스터의 스택포인터(SP)는 stack 프레임을 위해서 미리 공간을 확보한다.
참고자료 - 어셈블리코드 해석 예시

파이썬의 가상주소공간 활용

파이썬은 모든 객체를 private heap 영역에 저장하며, data영역, stack영역은 사용하지 못한다.
연산을 할 때는 값을 heap으로 부터 레지스터로 가져오고, ALU로 넘겨서 연산을 수행한다. 연산 결과 값은 stack에 먼저 저장하고(operand stack), stack-register-heap 순으로 재전달 한다.
java도 heap 영역만 사용하며, C는 stack, heap, data 영역을 모두 사용한다.

virtual machine

register based machine (연산결과를 레지스터에 저장)
virtual stack machine (연산결과를 stack에 저장하고 이를 다시 heap으로 반환)
연산결과를 임시로 저장하는 공간을 operand stack이라고 부른다.
인터프린터 언어는 heap에 데이터를 저장하고, 연산은 레지스터 ALU에서 실행 후 실행 결과를 stack에 저장 해당 값을 heap에 전달하려면 다시 레지스터를 거쳐야한다.
수업자료

stack vs heap

가상주소공간 중 stack은 빠르고 heap은 상대적으로 느리다.
stack은 그냥 데이터를 쌓지만 heap은 도중에 del등을 통해서 지울 수 있다. 빈공간이 생기면 그곳에 새로운 데이터가 추가된다. (spacial locality 보장이 어려움)
또한, heap은 메타데이터 정보를 함께 저장한다. 따라서 더 많은 용량을 사용하며 할당시 매번 metadata에게 여분 공간이 있는지 묻기 때문에 상대적으로 느리다.
heap의 최대 장점
- 할당시점과 지우는 시점을 마음대로 저장할 수 있다.
- 프로세스 도중에 용량을 변경할 수 있다. (stack의 경우 프로세스 실행 전에만 변경 가능하다. 용량이 넘치는 경우 stack overflow가 발생한다.)

가상메모리 (virtual memory)

가상메모리 : 물리적인 RAM + 하드디스크(pagefile.sys)
page frame : 가상메모리(물리메모리 = RAM + 페이징파일)를 4096byte(4K) 단위로 나눈 후, 그 한 단위를 페이지 프레임이라 한다.
페이지 테이블 : 가상주소공간(virtual address space) 가상메모리(virtual memory, physical memory) 를 매핑한다. 프로세스 별로 각각 하나씩 존재한다.
RAM의 프레임이 모두 차있을 때, 추가 요청이 들어오면 RAM에서는 교체 알고리즘에 따라서 프레임 하나를 페이징파일로 내리고, 새롭게 요청된 페이지에 비워진 프레임을 할당한다.
가상메모리 운영방식 : LRU (least, recently, uses - 최근최소사용) 필요한 것만 ram으로 가져오고 오래 안쓰는건 하드디스크에 내려놓는다.

참고