페이징 기법에 대해 알아보기

운영체제는 메모리를 효율적으로 관리하기 위해 다양한 기법들을 사용한다.. 그중 페이징(Paging) 기법은 메모리를 작은 블록 단위로 나누어 관리함으로써, 프로그램이 요구하는 메모리 공간을 효율적으로 제공하는 중요한 방식이다.

1. 페이징 기법이란?

페이징(Paging)은 프로세스가 사용하는 메모리를 일정한 크기의 페이지(Page)>로 나누고, 물리적 메모리도 동일한 크기의 프레임(Frame)으로 나누어 관리하는 기법이다. 이러한 방식은 내부 단편화를 줄이고, 프로세스가 요구하는 메모리를 물리적으로 연속된 공간에 배치하지 않아도 되기 때문에 메모리 사용의 효율성을 높인다.

페이징 기법에서는 논리 메모리 주소를 물리 메모리 주소로 변환하는 과정이 필요한데, 이를 위해 페이지 테이블(Page Table)을 사용한다. 페이지 테이블은 각 페이지가 물리 메모리의 어느 프레임에 매핑되어 있는지를 저장하는 데이터 구조이다. 이를 통해 프로세스는 물리 메모리의 위치를 신경 쓰지 않고, 논리 주소만으로 작업을 수행할 수 있다.

2. 페이징 기법 구현

페이징의 개념을 이해하기 위해, Python으로 간단한 페이징 기법을 구현해보았다. 이 예제에서는 논리 주소를 물리 주소로 변환하는 과정을 포함하여 페이지 테이블을 사용하는 방식을 담고있다.

class PagingSystem:
    def __init__(self, page_size, frames):
        self.page_size = page_size  # 페이지 크기
        self.frames = frames        # 프레임 개수
        self.page_table = {}        # 페이지 테이블

    def load_page(self, page_number, frame_number):
        if len(self.page_table) >= self.frames:
            print("메모리가 가득 찼습니다. 더 이상 페이지를 로드할 수 없습니다.")
            return
        self.page_table[page_number] = frame_number
        print(f"페이지 {page_number}가 프레임 {frame_number}에 로드되었습니다.")

    def get_physical_address(self, logical_address):
        page_number = logical_address // self.page_size
        offset = logical_address % self.page_size

        if page_number in self.page_table:
            frame_number = self.page_table[page_number]
            physical_address = frame_number * self.page_size + offset
            print(f"논리 주소 {logical_address}는 물리 주소 {physical_address}로 변환됩니다.")
            return physical_address
        else:
            print(f"페이지 {page_number}가 메모리에 로드되지 않았습니다.")
            return None

# 페이징 시스템 초기화
paging_system = PagingSystem(page_size=1024, frames=4)

# 페이지 로드\paging_system.load_page(0, 1)
paging_system.load_page(1, 3)

# 논리 주소 -> 물리 주소 변환
paging_system.get_physical_address(1050)
paging_system.get_physical_address(2048)

코드 설명

• __init__ 메서드: 페이지 크기와 프레임 수를 설정하고 페이지 테이블을 초기화한다.
• load_page 메서드: 특정 페이지를 특정 프레임에 로드합니다. 만약 메모리가 가득 찼다면, 더 이상 로드할 수 없다는 메시지를 출력한다..
• get_physical_address 메서드: 논리 주소를 입력 받아 페이지 번호와 오프셋을 계산하고, 이를 기반으로 물리 주소를 반환한다.

예를 들어, 논리 주소 1050은 페이지 크기가 1024일 때 페이지 번호가 1이고, 오프셋이 26이다. 페이지 테이블에서 페이지 1이 프레임 3에 로드되어 있다면, 물리 주소는 프레임 시작 주소 + 오프셋이 되어 3074가된다.

3. 페이징 기법의 장점과 단점

페이징 기법은 메모리의 효율적 사용을 가능하게 하지만, 페이지 테이블을 유지해야 하는 부담이 있다. 페이지 테이블이 너무 커질 경우, 추가적인 메모리 오버헤드가 발생할 수 있다. 또한, 페이지 테이블 접근 시간이 메모리 접근 속도에 영향을 미칠 수 있기 때문에 이를 보완하기 위해 TLB(Translation Lookaside Buffer)와 같은 캐시 메커니즘을 사용한다.

마무리하며

페이징 기법은 운영체제에서 메모리를 효율적으로 관리하기 위한 핵심적인 방법 중 하나이다. 이번 글에서는 페이징의 기본 개념과 Python으로 구현한 간단한 예제 코드를 통해 이 기법을 어떻게 이해하고 적용할 수 있는지 살펴보았다. 운영체제의 메모리 관리 기법을 이해하는 것은 컴퓨터 시스템 전반에 대한 이해를 높이는 중요한 과정이라고 생각한다.