하루에 하나씩 배우는 컴퓨터 사이언스 개념: 페이징 시스템 개념 이해

하루에 하나씩 배우는 컴퓨터 사이언스 개념 시리즈에서 오늘은 컴퓨터 메모리 관리와 밀접한 관계를 지닌 페이징 시스템에 대해 알아보겠습니다. 가상 메모리와 함께 이해할 필요가 있는 페이징 시스템이 어떻게 동작하는지, 그 중요성과 효율성에 대해 함께 알아봅시다.

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1. 페이징 시스템 개념과 배경

 

페이징 시스템은 컴퓨터 메모리 관리를 위한 기법으로, 가상 주소 공간을 일정한 크기의 페이지로 나누어 물리 메모리에 할당하는 방식입니다. 이를 통해 메모리 사용 효율이 향상되고, 외부 단편화(External Fragmentation) 문제를 해결할 수 있습니다. 페이징 시스템은 페이징 기법과 페이지 테이블, MMU(Memory Management Unit)를 통해 동작합니다.

 

페이징 시스템이 도입되기 이전에는 컴퓨터 메모리 관리는 연속 메모리 할당 기법으로 이루어졌습니다. 하지만 연속 메모리 할당 기법은 메모리 공간이 파편화되어 낭비되는 외부 단편화 문제와 할당, 해제 작업에 따른 오버헤드가 커지는 단점이 있습니다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 등장한 것이 페이징 시스템입니다.

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2. 페이징 과정과 메모리 할당

 

페이징 시스템은 가상 주소 공간과 물리 주소 공간의 관계를 통해 이루어집니다. 가상 주소 공간은 페이지 단위로 나누어지며, 이와 동일한 크기의 페이지 프레임으로 나누어진 물리 메모리 공간에 할당됩니다.

 

가상 주소 공간의 페이지는 실행 중인 프로세스 때문에 실제 사용하는 페이지와 사용하지 않는 페이지로 나뉩니다. 사용 중인 페이지는 물리 메모리에 할당되며, 페이지 프레임에 매핑되어 저장됩니다. 사용하지 않는 페이지는 보조 저장소(예: 디스크)에 저장됩니다.

 

물리 메모리의 할당과 반납은 일정한 크기의 페이지를 기반으로 이루어지므로, 외부 단편화 문제를 해결하고, 메모리 할당 및 해제 작업의 오버헤드가 상대적으로 줄어들게 됩니다.

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3. 페이지 테이블과 MMU

 

페이지 테이블은 가상 주소와 물리 주소 간의 매핑 정보를 저장하는 자료구조입니다. 페이지 테이블의 엔트리는 각 페이지에 대한 시작 주소와 상태 정보를 포함하며, MMU가 해당 정보를 활용하여 가상 주소를 물리 주소로 변환합니다.

 

MMU(Memory Management Unit)는 CPU와 물리 메모리 사이에서 가상 주소를 물리 주소로 변환하는 작업을 수행합니다. 이를 통해 프로세스가 각자의 가상 주소 공간을 사용할 수 있도록 하며, 메모리 보호 및 격리 기능을 제공합니다. MMU는 페이징, 세그멘테이션 등 다양한 메모리 관리 기법에 활용되며, 페이징 시스템에서는 페이지 테이블을 통해 주소 변환 작업을 수행합니다.

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4. 페이징 시스템의 장단점

 

• 장점

• 외부 단편화 문제가 발생하지 않아 메모리 관리가 용이합니다.
• 가상 메모리와 결합하여 메모리 활용도 및 유연성이 향상됩니다.
• 프로세스 간 메모리 공간이 격리되어 보안성이 증가합니다.

 

• 단점

• 페이지 테이블을 조회하는 과정에서 오버헤드가 발생할 수 있습니다.
• 내부 단편화(Internal Fragmentation) 문제가 발생할 수 있습니다. 페이지 단위로 메모리를 할당하므로, 페이지 내에 남는 빈 공간이 발생할 수 있습니다.

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5. 요약

 

하루에 하나씩 배우는 컴퓨터 사이언스 개념 시리즈에서 이번에는 페이징 시스템을 설명했습니다. 페이징 시스템의 개념, 동작 원리와 그 배경, 그리고 장단점 등을 자세하게 살펴봤습니다. 페이징 시스템은 컴퓨터 메모리 관리의 근간이 되는 중요한 개념으로, 컴퓨터 사이언스에 대한 전반적인 이해에 큰 도움이 될 것입니다. 앞으로도 다양한 컴퓨터 사이언스 관련 개념들을 계속해서 배워 나가는데 있어 도움이 되시길 바랍니다.