[OS] 메모리 가상화 (Memory Virtualization): 3. Segmentation

 

*이 글은 Operating Systems: Three Easy Pieces(운영체제 아주 쉬운 세 가지 이야기)를 바탕으로 작성되었습니다. 첨부한 모든 그림은 해당 도서에서 가져온 자료입니다. 내용 중 잘못된 부분이 있다면 알려주세요 :)

 

 

Dynamic allocation은 heap, stack 사이의 공간이 낭비되는 내부 단편화 문제가 있었다.

이를 방지하기 위해 만들어진 segment에 대해 알아보자!

 

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🧐 Segment란

 

Address Space는 Code, Heap, Stack 영역 등으로 구성되어있다. 이 각각의 영역을 세그먼트(Segment)라고 한다.

다시 말해, 세그먼트은 특정 길이를 가지는 연속적인 주소 공간이다.

 

우리가 기존에 공부했던 base, bound를 생각해보자(맨 위 그림 참고)

프로세스들은 각각 한 쌍의 base, bound를 갖는다.

 

이젠 세그먼트마다 한 쌍의 base, bound를 갖도록 하자.

OS는 각 세그먼트를 물리 메모리 상에서 다른 위치에 배치할 수 있고, 낭비되는 공간을 방지할 수 있다.

 

 

 

세그먼트를 지원하는 경우에 주소 변환을 해보자.

 

왼쪽: virtual memory / 오른쪽: physical memory

 

우선 Code 영역부터 살펴보자.

virtual address 100번지를 참조한다고 가정하자.

physical address = 100 + 32KB

(100은 2KB보다 작기 때문에 범위 내에 존재)

 

Heap영역을 살펴보자

virtual address 4200번지를 참조한다고 가정하자.

physical address = 4200 + 34KB

 

위처럼 계산하면 어떻게 될까? heap 영역을 벗어나버린다.

모든 세그먼트가 각각 base, bound 값을 갖기 때문에, 이전처럼 주소 변환을 하면 안된다.

 

physical address = offset + base

offset = virtual address - start virtual address of segment

 

가상 주소에서 실제 해당 세그먼트의 시작 지점을 뺀 offset 값을 더해야한다.

 

 

그렇다면 heap 영역의 physical address = (4200 - 4096) + 34KB이다.

 

마지막으로 Stack 영역을 살펴보자.

stack은 Code, Heap 영역과 반대 방향으로 늘어날 수 있다. 이 때문에 다른 방식의 변환이 필요하다.

base, bound값 뿐만 아니라, 어떤 방향으로 확장하는지도 알아야한다.

 

 

 

이 정보를 반영하여 하드웨어가 주소 변환을 수행해야한다.

그렇다면 하드웨어는 어떻게 주소 변환을 하는걸까?

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🧐 세그먼트 종류 파악

 

하드웨어는 주소 변환을 수행한다.

세그먼트를 사용하여 주소 변환 시,

• heap, code, stack 중 어떤 세그먼트를 참조하는지
• offset은 얼마인지

하드웨어가 어떻게 알 수 있을까?

 

16KB의 메모리주소를 표현하려면 14bit가 필요하다.

 

 

일반적인 방법은 위 그림과 같이 가상 주소의 최상위 몇 비트를 기준으로 주소 공간을 여러 세그먼트로 나누는 것이다.

 

-> 최상위 2비트에 세그먼트 표시

-> 나머지 offset 표시

 

예시를 보자

 

 

최상위 2비트가 01이면 힙 세그먼트에 해당한다.

하위 12비트는 0000 0110 1000 또는 10진수로 104이다.

 

이를 통해 physical address = 104 + heap base 임을 알 수 있다.

( offset < bound도 검사해야한다.)

 

이 작업을 코드로도 살펴보자.

// get top 2 bits of 14-bit VA
Segment = (VirtualAddress & SEG_MASK) >> SEG_SHIFT
// now get offset
Offset = VirtualAddress & OFFSET_MASK
if (Offset >= Bounds[Segment])
	RaiseException(PROTECTION_FAULT)
else
	PhysAddr = Base[Segment] + Offset
	Register = AccessMemory(PhysAddr)

 

위의 코드의 상수 값들을 정할 수 있다.

 `SEG_MASK` = 0x3000(11000000000000)

 `SEG_SHIFT` = 12

 `OFFSET_MASK` = 0xFFF (00111111111111) 

 

 

그렇다면 위에서 말한 Stack 영역에 대해 이어서 이야기 해보자.

virtual address 15KB를 참조한다고 가정한다.

15KB는 (15 x 2**10)byte로(메모리 한 칸은 1byte 크기), 이를 이진 형태로 변환하면 11 1100 0000 0000

아래 그림과 같이 나타낼 수 있다.

 

 

offset = 3KB

음수 오프셋을 얻기 위해선 3KB에서 세그먼트 최대 크기를 빼야한다.

 

세그먼트 최대 크기 = 4KB (12bit offset)

Correct negative offset = 3KB - 4KB = -1KB

 

physical address = 28KB - 1KB = 27KB

(abs(offset) < bound)

 

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🧐 공유 지원

 

메모리를 절약하기 위해 주소 공간들 간에 특정 메모리 세그먼트를 공유할 수 있다.

공유 지원을 위해, 하드웨어에 protection bit의 추가가 필요하다.

protection bit는 읽기, 쓰기, 실행 가능 여부를 나타낸다.

 

 

 

코드 세그먼트는 읽기 및 실행으로 설정되어, 같은 물리 세그먼트가 여러 가상 주소 공간에 매핑될 수 있다.

 

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🧐 segmentation의 Pros & Cons

 

Pros

• 주소 공간 사이의 공간 낭비를 방지한다.
• 빠르고 쉽고, 하드웨어 구현에 적합하다.
• 코드 공유가 가능하다.
• 각 세그먼트에 동적 할당을 지원한다.

Cons 

• 외부 단편화 (External fragmentation)
  • 지금까지 주소 공간의 크기가 일정하다고 가정했지만, 실제론 프로세스가 많은 세그먼트를 가질 수 있고 각 세그먼트는 크기가 다를 수 있다.
  • 위와 같은 경우 물리 메모리에 빠르게 작은 크기의 빈 공간이 채워진다. 이 때문에 세그먼트 할당, 확장에 힘들어진다.
  • 이를 외부 단편화 문제라고 부른다.
• 세그먼트 압축 costly
  • 외부 단편화 문제를 해결하기 위해 물리 메모리는 압축할 수 있다.
  • 하지만, 세그먼트 압축은 비용이 많이 든다.
• 세그먼트는 flexible하지 않다.
  • 크기가 크지만 드물게 사용되는 힙이 하나의 논리적인 세그먼트에 배정되어 있다고 할 때 이 힙에 접근하기 위해서는 힙 전체가 물리 메모리에 존재해야 한다.

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이번 시간엔 segment에 대해 배웠다.

세그먼트는 Heap, stack 사이의 낭비되는 공간 문제를 해결하기 위한 방법이지만,

외부 단편화 문제가 있다. 다음 글엔 이를 해결할 방법을 소개하도록 하겠다.

 

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[OS] 메모리 가상화(Memory Virtualization): 4. Free-Space Management