13 Paging 2 - Thrashing (스래싱)

스래싱은 가상 메모리 시스템에서 페이지 부재(Page Fault)가 지나치게 자주 발생하여 대부분의 시간을 페이지 부재 처리에 사용하는 현상을 말합니다. 스프래싱이 발생하면 실제로는 아무런 유용한 작업을 수행하지 못하고 페이지 교체에만 시스템 자원이 소비되는 상태가 됩니다.

스래싱이 발생하는 이유는 주로 다음과 같습니다

1. 페이지 부재율(Paging Rate)이 높음: 프로세스가 필요한 페이지를 메모리에서 찾지 못하고 계속해서 디스크에서 페이지를 가져오는 경우, 페이지 부재율이 높아지면서 스프래싱이 발생할 가능성이 높아집니다.
2. 적절하지 않은 프레임 할당: 메모리에 할당된 프레임 수가 너무 적어서 페이지 교체가 지나치게 빈번하게 발생하는 경우에도 스프래싱이 발생할 수 있습니다.

스래싱이 발생하면 시스템 성능이 급격하게 저하되므로, 이를 방지하기 위해 적절한 프레임 할당 및 페이지 교체 알고리즘을 선택하는 것이 중요합니다.

 

 

프레임 할당(Frame Allocation)

프레임 할당은 물리 메모리에서 각 프로세스에 할당되는 프레임(또는 페이지 프레임)의 수 및 위치를 결정하는 과정입니다. 프레임 할당은 가상 메모리 관리에서 중요한 역할을 합니다.

프레임 할당은 다음과 같은 요소를 고려하여 이루어집니다

1. 프로세스의 크기: 프로세스가 필요로 하는 메모리 공간에 따라 할당되는 프레임의 크기 및 수가 결정됩니다.
2. 물리 메모리의 크기: 시스템이 가지고 있는 물리 메모리 크기에 따라 각 프로세스에게 할당할 수 있는 프레임의 수가 제한됩니다.
3. 페이지 교체 알고리즘: 페이지 교체 알고리즘에 따라 프레임이 교체되는 방식이 달라질 수 있습니다.

 

균등 할당 (Equal Allocation)
균등 할당은 사용 가능한 자원을 여러 대상 간에 동등하게 분배하는 방식을 의미합니다. 여러 대상이나 프로세스에 동일한 양의 자원을 할당하여 공평하게 자원을 이용할 수 있도록 하는 것이 목표입니다. 이는 자원이 각 대상에게 동일한 비율로 분배되는 방식으로, 공정한 자원 공유를 지향합니다.

예를 들어, 여러 프로세스에 균등하게 CPU 시간을 할당하는 것이 균등 할당의 일례입니다. 각 프로세스는 동일한 양의 CPU 시간을 얻어 공평하게 실행됩니다.

 

 

비례 할당 (Proportional Allocation)
비례 할당은 사용 가능한 자원을 여러 대상 간에 상대적인 비율에 따라 할당하는 방식입니다. 각 대상의 우선순위나 요구사항에 따라 자원을 할당하게 됩니다. 이는 각 대상의 중요도나 필요에 따라 자원을 다르게 할당함으로써 선호도를 고려하는 방식입니다.

예를 들어, 여러 가상 머신에 CPU 시간을 비례적으로 할당하는 것이 비례 할당의 일례입니다. 중요한 가상 머신에 더 많은 자원을 할당하고, 상대적으로 중요하지 않은 가상 머신에는 적은 자원을 할당할 수 있습니다.

 

 

적절한 프레임 할당은 페이지 부재를 최소화하고 스프래싱을 방지하는 데 도움이 되며, 이를 위해 다양한 알고리즘과 전략이 사용됩니다.

 

 

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페이징의 이점

1. 내부 단편화 감소: 페이징은 고정 크기의 페이지로 메모리를 관리하므로, 할당된 페이지 크기에 딱 맞게 메모리를 사용하게 되어 내부 단편화를 감소시킵니다.
2. 외부 단편화 감소: 페이징은 페이지 단위로 메모리를 관리하고, 페이지들 간에는 독립적이기 때문에 외부 단편화를 감소시킵니다. 페이지들은 물리 메모리에 연속적으로 위치하지 않아도 되므로, 불연속적인 공간을 효과적으로 활용할 수 있습니다.
3. 메모리 공유 및 보호: 페이징은 페이지 테이블을 통해 가상 메모리 주소를 물리 메모리 주소로 변환하므로, 각 프로세스는 독립적인 가상 주소 공간을 가질 수 있습니다. 이를 통해 여러 프로세스 간의 메모리 공유 및 보호가 용이해집니다.
4. 유연한 메모리 관리: 페이지 단위로 메모리를 관리하기 때문에, 프로세스의 크기나 구조에 상관없이 메모리를 할당할 수 있어 유연한 메모리 관리가 가능합니다.

 

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계층적 페이징 (Hierarchical Paging)

계층적 페이징은 페이징 기법을 확장하여 페이지 테이블을 여러 레벨로 나누어 관리하는 방법입니다. 일반적으로 2단계나 3단계의 계층으로 나누어집니다. 이러한 계층 구조를 통해 전체 페이지 테이블을 유지하는 데 필요한 공간을 감소시키고, 페이지 테이블의 일부를 적재하고 유지하는 데 효율성을 높입니다.

계층적 페이징의 이점은 다음과 같습니다:

1. 공간 효율성: 전체 페이지 테이블을 유지하기 위한 공간이 줄어들어 메모리 절약이 가능합니다.
2. 빠른 페이지 테이블 접근: 페이지 테이블의 일부를 적재하므로, 빠른 페이지 테이블 접근이 가능합니다.
3. 유연한 메모리 관리: 계층적 구조를 통해 메모리 할당 및 해제를 효율적으로 수행할 수 있습니다.

계층적 페이징은 페이징 기법을 더욱 효율적으로 활용하고, 대규모 메모리 시스템에서 발생할 수 있는 페이지 테이블의 크기와 관련된 문제를 해결하기 위한 방법 중 하나입니다.