[OS] 가상 메모리(Virtual Memory)

💻 OS 가상 메모리(Virtual Memory) 개념 및 작동 원리

목차

• 1. 가상 메모리란? (핵심 장점)
• 2. 프로그램 실행의 의미 (주소 바인딩 & 스왑)
• 3. 작동 원리: 요구 페이징 (Demand Paging)
• 4. 요약: 메모리 관리의 예술

1. 가상 메모리란?

가상 메모리는 프로세스 전체가 메모리(RAM)에 올라오지 않더라도 실행이 가능하도록 하는 메모리 관리 기법입니다. 실제 물리적 메모리 크기보다 더 큰 프로그램을 실행할 수 있게 해주는 아주 똑똑한 기술이죠.

가상 메모리의 핵심 장점

• 물리 메모리 제약 극복: 사용자 프로그램이 실제 RAM 용량에 신경 쓰지 않고 설계될 수 있습니다.
• 동시 수행 능력 향상: 각 프로그램이 당장 필요한 부분만 메모리에 올리므로, 더 많은 프로그램을 동시에 올릴 수 있습니다.
• 효율적인 I/O: 프로그램 전체를 한꺼번에 메모리에 올리고 내리는(Swap) 대신, 필요한 부분만 교체하므로 입출력 횟수가 최적화됩니다.

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2. 프로그램이 실행된다는 것의 의미

단순히 파일을 더블 클릭하는 것을 넘어, 컴퓨터 내부에서는 다음과 같은 일이 일어납니다.

주소 바인딩 (Address Binding)

프로그램이 사용하는 가상 주소(논리 주소)를 실제 데이터가 담긴 물리 메모리 주소로 연결하는 과정입니다. CPU는 가상 주소를 보고 일하지만, 실제 데이터는 물리 주소에 있으므로 이 '번역'이 필수입니다.

스왑 영역 (Swap Area)

물리 메모리(RAM)가 가득 찼을 때, 당장 쓰지 않는 데이터들을 잠시 보관해두는 하드디스크의 일부 영역입니다.

• Swap-out: 메모리에서 디스크(스왑 영역)로 쫓겨남.
• Swap-in: 디스크에서 다시 메모리로 불러옴.

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3. 가상 메모리의 작동 원리: 요구 페이징

프로그램 실행 시 모든 페이지를 올리지 않고, '필요할 때(On-Demand)'만 메모리에 올리는 방식입니다.

페이지 폴트 (Page Fault)

CPU가 필요한 데이터를 찾는데 메모리에 없을 때 발생하는 현상입니다. 이때 운영체제는 스왑 영역에서 해당 데이터를 찾아 메모리로 가져옵니다.

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📌 핵심 요약: 메모리 관리의 예술

CPU: "가상 주소(Virtual Address) 100번지에 있는 거 가져와!"

MMU: "잠깐, 가상 주소 100번은 실제 RAM 주소 500번이야. (번역)"

OS: "만약 RAM에 없으면 내가 스왑 영역에서 가져올게, 조금만 기다려!"