OSTEP 13 Address Spaces

1. 초기 시스템

운영체제는 메모리에 상주하는 루틴(라이브러리)의 집합이었다. 물리 메모리에 하나의 실행 중인 프로그램이 존재하였고, 운영체제가 쓰고 남은 메모리를 사용하였다. 가상화? 그런건 없었다.

2. 멀티프로그래밍과 시분할

멀티프로그래밍 시대가 왔다. 여러 프로세스가 실행 준비 상태에 있고, 운영체제가 이들을 전환하면서 실행하였다. 한 프로세스가 입출력을 하면, CPU는 다른 프로세스로 전환하였다.

이렇게 여러 프로세스간 전환을 통해 CPU의 이용률이 올라갔다. 사람들은 컴퓨터를 더 많이 사용하길 원했고, 시분할 (time sharing) 방식을 사용했다. 일괄처리방식 (batch) 컴퓨팅의 한계를 느꼈기 때문이다.

시분할을 구현하는 한 가지 방법은 하나의 프로세스를 짧은 시간 동안 실행시키는 것이었다. 그런 후 프로세스를 중단하고, 중단 시점의 모든 상태를 디스크에 저장하고 다른 프로세스의 상태를 탑재하여 실행시키는 방식이었다. 하지만 이 방법에는 문제가 있었다. 메모리 크기가 커질수록 성능이 느려지는 문제가 발생했다.

다음 사진처럼 프로세스를 전환할 때, 프로세스를 메모리에 그대로 유지하면서, 시분할 방식으로 작동하도록 해야 한다.

여러 프로세스들이 메모리의 일정 부분을 함께 사용한다. 함께 사용하려면, 한 프로세스가 다른 프로세스의 메모리를 읽거나 쓰지 못하도록 보호(protection) 해야 한다.

3. 주소 공간

이러한 위험에 대비하여 운영체제는 사용하기 쉬운(추상화된) 메모리 개념인 주소 공간(address space) 를 만들었다. 프로세스는 자신의 주소 공간에만 접근한다. 주소 공간은 실행 프로그램의 모든 메모리 상태를 가지고 있다.

그림에는 0KB부터 16KB라고 써있지만 실제로 물리 주소 0 ~ 16 사이에 존재하는 것은 아니다. A, B, C가 함께 메모리에 올라가 있는 그림처럼, 실제 물리 주소는 다를 수 있다.

가상화: 물리 메모리를 공유하는 다수의 프로세스에게 프로세스 전용의 커다란 주소 공간이라는 개념을 제공하는 것

그러면 메모리를 어떻게 가상화 하는 것일까?

4. 목표

가상 메모리 시스템 (VM) 의 주요 목표에 대해 살펴보자.

1. 투명성(transparency): 실행 중인 프로그램이 가상 메모리의 존재를 인지하지 못하도록 가상 메모리 시스템을 구현해야 한다. 물리 메모리를 소유한 것처럼 행동해야 한다.
2. 효율성(eiciency): 가상화를 지원하기 위해 너무 느리게 실행되거나 너무 많은 메모리를 소모해서는 안된다. TLB 등의 도움을 받을 수 있다.
3. 보호(protection): 프로세스를 다른 프로세스로부터 보호해야 한다. 운영체제 자신도 프로세스로부터 보호해야 한다. 절대 다른 프로세스나 운영체제의 메모리 내용에 접근하거나 영향을 줄 수 있어서는 안 된다. 프로세스들을 서로 고립시켜야 한다.