가상 메모리 - 페이지, 프레임, 페이지 테이블

가상 메모리(Virtual Memory)는 프로그램마다 0번지부터 시작하는 자기만의 주소를 주고, 그 주소를 운영체제와 하드웨어가 실제 RAM 위치로 바꿔 주는 메모리 관리 기법입니다. 덕분에 RAM보다 큰 프로그램도 실행할 수 있고, 여러 프로그램이 서로의 메모리를 건드리지 않고 동시에 실행될 수 있습니다.

메모리 페이지 교체 알고리즘(FIFO, LRU, LFU)은 이 가상 메모리 위에서 동작합니다. 이 글에서 바탕 개념을 먼저 잡아 두면 페이지 교체 문제를 풀 때 "왜 페이지를 내보내야 하는지"가 자연스럽게 이해됩니다.

가상 메모리 핵심 정리

아래에서 하나씩 배울 용어를 미리 정리한 표입니다.

가상 메모리란? 쌩기초

컴퓨터의 저장 공간은 크게 두 가지입니다. RAM(주기억장치, 물리 메모리라고도 부름)은 책상처럼 CPU가 바로 꺼내 쓸 수 있을 만큼 빠르지만 좁고, 보조기억장치(HDD, SSD)는 창고처럼 넓지만 꺼내 오는 데 오래 걸립니다. 그래서 프로그램이 SSD에 설치되어 있어도, 실행하려면 그 프로그램의 코드와 데이터를 RAM으로 올려야 합니다. 그런데 RAM은 용량이 한정되어 있습니다. 게임, 브라우저, 메신저를 동시에 켜면 각 프로그램이 쓰려는 메모리를 모두 합친 크기가 RAM보다 커지기 쉽습니다.

가상 메모리는 이 문제를 두 가지 아이디어로 해결합니다.

1. 당장 필요한 부분만 RAM에 올립니다. 프로그램 전체를 한꺼번에 올리지 않고 일정한 크기로 잘게 나눈 뒤, 지금 쓰는 조각만 RAM에 두고 나머지는 보조기억장치에 둡니다.
2. 프로그램이 쓰는 주소와 RAM의 실제 위치를 분리합니다. 프로그램은 자기 조각이 RAM 어디에 있는지 몰라도 됩니다. 프로그램이 쓰는 주소를 실제 위치로 바꾸는 일은 운영체제와 하드웨어가 대신 처리합니다.

한 문장으로 정리하면 가상 메모리는 보조기억장치의 일부를 주기억장치처럼 사용해, 용량이 작은 주기억장치를 큰 용량인 것처럼 쓰는 기법입니다. 이 설명은 1번 아이디어에 해당하고, 그것을 가능하게 만드는 바탕이 2번의 주소 분리입니다.

논리 주소와 물리 주소 쌩기초

메모리는 1바이트짜리 칸이 한 줄로 길게 늘어선 사물함과 같습니다. 칸마다 0번, 1번, 2번… 순서로 번호가 붙어 있고, 이 번호를 주소(번지)라고 합니다. "100번지에 값을 저장한다"는 말은 100번 칸에 값을 넣는다는 뜻입니다.

RAM이라는 사물함은 하나뿐이고 모든 프로그램이 함께 나눠 씁니다. 그런데 가상 메모리에서는 프로그램이 이 사물함 번호를 직접 쓰지 않습니다. 각 프로그램은 "내 메모리는 0번지부터 시작한다"고 여기고 자기만의 번호를 씁니다. 이 번호가 논리 주소이고, RAM 사물함에 실제로 붙어 있는 번호가 물리 주소입니다.

그래서 "프로그램마다 자기만의 메모리 공간을 가진다"는 말은 RAM을 칸막이로 미리 잘라 나눠 준다는 뜻이 아닙니다. 프로그램마다 0번지부터 시작하는 번호 체계를 따로 준다는 뜻이고, 그 번호가 실제 RAM의 어느 칸을 가리키는지는 운영체제가 장부(뒤에서 볼 페이지 테이블)로 관리합니다.

예를 들어 프로그램 A와 프로그램 B가 둘 다 "100번지"에 값을 저장해도 서로 덮어쓰지 않습니다. 1반과 2반에 모두 출석번호 1번이 있지만 서로 다른 학생인 것처럼, 두 프로그램의 100번지는 번호만 같을 뿐입니다. 실제로는 A의 100번지는 물리 주소 5,220번지로, B의 100번지는 물리 주소 9,316번지로 바뀌어 RAM의 서로 다른 칸에 저장됩니다.

이렇게 논리 주소를 물리 주소로 바꾸는 작업을 주소 변환¹이라고 합니다. 주소 변환은 프로그램이 메모리에 접근할 때마다 CPU 안의 전용 하드웨어가 자동으로 처리하고, 운영체제는 변환에 필요한 정보인 페이지 테이블을 만들고 관리합니다.

페이지, 프레임, 페이지 테이블 기초

앞에서 RAM을 1바이트짜리 칸이 늘어선 사물함에 비유했습니다. 주소 변환 정보를 사물함 칸 하나하나마다 기록하면 관리할 정보가 너무 많아집니다. 그래서 가상 메모리는 칸을 일정한 개수씩 묶은 구역(블록) 단위로 관리합니다. 예를 들어 1KB(1,024바이트)씩 묶으면 1,024칸을 장부 한 줄로 관리할 수 있습니다.

• 페이지(Page): 프로그램 쪽 번호(논리 주소 공간)를 일정한 크기로 묶은 구역입니다.
• 프레임(Frame, 페이지 프레임이라고도 함): RAM 사물함(물리 메모리)을 페이지와 같은 크기로 묶은 구역입니다.

그림에서 왼쪽 블록 4개가 프로그램 A의 페이지, 오른쪽 사물함 여섯 구역이 프레임입니다. 가운데 감자가 든 장부가 바로 뒤에서 볼 페이지 테이블로, 어느 페이지가 어느 프레임에 들어가 있는지 적혀 있습니다. 아직 RAM에 올라오지 않은 1번 페이지는 SSD 창고에 있습니다.

참고로 "가상 메모리"라는 말은 이 기법의 이름이면서, 프로그램이 보는 가상의 메모리 공간(논리 주소 공간)을 가리킬 때도 쓰입니다. 그래서 "가상 메모리를 페이지로 나눈다"는 말은 "논리 주소 공간을 페이지로 나눈다"는 뜻입니다.

페이지와 프레임은 크기가 같으므로² 어떤 페이지든 비어 있는 프레임 아무 곳에나 들어갈 수 있습니다. 그림과 아래 표처럼 0번, 2번, 3번 페이지가 RAM에서는 3번, 5번, 1번 프레임에 순서 없이 흩어져 있어도 괜찮습니다.

각 페이지가 지금 어느 프레임에 있는지 기록한 표가 페이지 테이블(Page Table)입니다. 페이지 테이블은 실행 중인 프로그램(프로세스)마다 하나씩 있고 운영체제가 관리합니다. 예를 들어 어떤 프로그램의 페이지 테이블이 다음과 같다고 해 봅시다.

• 0번 페이지는 RAM의 3번 프레임에, 2번 페이지는 5번 프레임에, 3번 페이지는 1번 프레임에 있습니다.
• 1번 페이지는 지금 RAM에 없고 보조기억장치에만 있습니다. 이 페이지에 접근하면 아래에서 설명할 페이지 부재가 발생합니다.

논리 주소를 물리 주소로 바꾸는 계산 호기심

페이지 테이블로 실제 주소를 구하는 과정을 숫자로 따라가 보면 구조가 더 분명해집니다. 페이지 크기가 1KB이고 위 페이지 테이블을 쓴다고 해 봅시다. 메모리 크기를 셀 때는 1KB를 1,000이 아니라 1,024바이트로 봅니다.

페이지 하나가 1,024칸이므로 논리 주소는 다음처럼 1,024칸씩 페이지에 나뉘어 들어갑니다.

논리 주소 2,100번지는 2번 페이지 범위 안에 있습니다. 이 과정을 계산으로 옮기면 다음과 같습니다.

1. 페이지 번호 구하기: 2,100 ÷ 1,024의 몫은 2 → 2번 페이지
2. 페이지 안 위치 구하기: 2,100 - (2 × 1,024) = 52 → 2번 페이지의 시작점(2,048번지)에서 52칸 떨어진 곳
3. 페이지 테이블 확인: 2번 페이지는 5번 프레임에 있음
4. 물리 주소 계산: 5번 프레임은 물리 주소 5 × 1,024 = 5,120번지부터 시작하므로, 5,120 + 52 = 5,172 → 물리 주소 5,172번지

페이지 번호만 페이지 테이블을 거쳐 프레임 번호로 바뀌고, 페이지 안 위치(52)는 그대로 유지된다는 점이 핵심입니다. 만약 논리 주소가 1,500번지였다면 1,500 ÷ 1,024의 몫이 1이므로 1번 페이지를 찾게 되는데, 1번 페이지는 RAM에 없으므로 곧바로 페이지 부재가 발생합니다.

페이지 부재 기초

가상 메모리는 프로그램을 시작할 때 모든 페이지를 RAM에 올리지 않고, 실제로 필요해진 페이지만 그때그때 RAM으로 가져옵니다³. 이때 따지는 단위는 기능이 아니라 페이지입니다.

예를 들어 문서 편집 프로그램에서 인쇄 기능 코드만 들어 있는 페이지는 인쇄 버튼을 누르기 전까지 한 번도 쓰이지 않으므로 RAM에 올라오지 않습니다. 프로그램에는 이렇게 거의 쓰이지 않는 부분이 많아서, 필요한 페이지만 올리면 RAM을 훨씬 아껴 쓸 수 있습니다.

그래서 프로그램이 사용하려는 페이지가 아직 RAM에 없는 상황이 자연스럽게 생깁니다. 이것이 페이지 부재(Page Fault)입니다. 참고로 프로그램이 어떤 페이지를 사용(접근)하는 것을 참조라고 하며, 페이지 교체 문제에 나오는 "참조 순서"나 "참조 횟수"도 이 뜻입니다.

페이지 부재가 발생하면 다음 순서로 처리됩니다. 그림의 번호는 아래 단계 번호와 같고, 4번과 5번은 빈 프레임이 있는지에 따라 둘 중 하나만 일어납니다.

1. 프로그램이 어떤 논리 주소를 참조하고, 하드웨어가 페이지 테이블을 보고 해당 페이지가 RAM에 없다는 것을 확인합니다.
2. CPU는 하던 일을 멈추고 운영체제에 처리를 넘깁니다.
3. 운영체제는 보조기억장치에서 필요한 페이지를 찾습니다.
4. RAM에 빈 프레임이 있으면 그 프레임으로 페이지를 들여옵니다⁴.
5. 빈 프레임이 없으면 RAM에 있는 페이지 하나를 골라 보조기억장치로 내보내고⁵, 비워진 프레임에 필요한 페이지를 들여옵니다.
6. 페이지 테이블에서 들여온 페이지는 새 프레임 번호로, 내보낸 페이지는 'RAM에 없음'으로 고친 뒤 멈췄던 명령을 다시 실행합니다.

빈 프레임이 없을 때(5단계) 어떤 페이지를 내보내느냐에 따라 이후의 페이지 부재 횟수가 달라집니다. 예를 들어 프레임이 3칸이고 페이지를 1, 2, 3, 4, 1 순서로 참조한다고 해 봅시다.

• 1, 2, 3을 참조하면 세 칸이 모두 찹니다.
• 4를 참조할 때 빈 칸이 없으므로 한 페이지를 내보내야 합니다.
• 이때 1을 내보냈다면 바로 다음 1을 참조할 때 또 페이지 부재가 발생합니다. 반면 2나 3을 내보냈다면 1은 RAM에 남아 있으므로 페이지 부재가 발생하지 않습니다.

이렇게 RAM에 있는 페이지 중 어떤 페이지를 내보낼지 정하는 규칙이 바로 페이지 교체 알고리즘입니다. 가장 먼저 들어온 페이지를 내보내는 FIFO, 가장 오랫동안 쓰이지 않은 페이지를 내보내는 LRU, 참조 횟수가 가장 적은 페이지를 내보내는 LFU의 동작과 풀이법은 메모리 페이지 교체 알고리즘에서 이어서 다룹니다.

가상 메모리와 스와핑의 차이 호기심

"가상 메모리는 RAM이 부족할 때 HDD/SSD를 RAM처럼 쓰는 것"이라는 설명은 앞에서 본 1번 아이디어와 같은 이야기라 틀린 말은 아닙니다. 다만 이 설명에서 드러나는 것은 가상 메모리가 사용하는 동작 하나(스와핑) 뿐이고, 이를 가능하게 하는 주소 분리는 빠져 있습니다.

• 스와핑(Swapping): RAM과 보조기억장치 사이에서 데이터를 옮기는 동작입니다. RAM에서 보조기억장치로 내보내는 스왑 아웃과, 반대로 들여오는 스왑 인이 여기에 해당합니다. 원래는 실행 중인 프로그램(프로세스) 전체를 통째로 옮기는 기법을 가리키는 말입니다.
• 가상 메모리: 논리 주소와 물리 주소를 분리하고, 페이지 단위로 필요한 부분만 RAM에 두는 메모리 관리 방식 전체를 말합니다. 페이지 부재가 나면 페이지 단위로 들이고 내보내므로, 스와핑은 가상 메모리가 동작할 때 쓰는 수단 중 하나입니다.

Windows 설정 화면에 보이는 "가상 메모리"(페이징 파일)나 리눅스의 스왑 영역은, 스와핑으로 내보낸 데이터를 보관하는 보조기억장치 쪽 공간을 가리킵니다. 이 설정 이름 때문에 "가상 메모리 = 디스크 공간"으로 오해하기 쉽습니다. 보조기억장치를 주기억장치처럼 쓸 수 있는 것도, 그 바탕에 논리 주소와 물리 주소의 분리가 있기 때문입니다.

정리하면 가상 메모리는 주소 변환 → 페이지 부재 → 페이지 교체 순서로 동작하고, 페이지를 들이고 내보낼 때 스와핑이 쓰입니다. 다음 글에서는 마지막 단계인 페이지 교체, 즉 내보낼 페이지를 고르는 FIFO·LRU·LFU 규칙을 문제 풀이와 함께 익힙니다.