Chap 4.

메모리 가상화 (Memory Virtualization)

- OS는 physical memory를 가상화함

- OS는 가상 메모리 공간을 각 프로세스마다 제공함

=> 각 프로세스가 전체 메모리를 사용하는 것처럼 보임

메모리 가상화의 목표

Transparency (투명성)

프로세스는 메모리가 공유되고 있다는 사실을 인식하지 못해야함
프로그래밍을 위한 편리한 추상화 제공 (크고 연속적인 메모리 공간)

Efficiency (효율성)

다양한 크기의 요청으로 인한 fragmentation(단편화)를 최소화함 (공간)
하드웨어의 도움을 받음(시간) ~~역시 자본이 최고야~~

Protection (보호)

다른 프로세스로부터 프로세스들과 OS를 보호
Isolation : 프로세스가 fail 하더라도 다른 프로세스들에 영향을 주지않음
Cooperating processes 끼리 서로 메모리 일부를 공유할수있음

OS in The Early System

- 메모리에 오직 하나의 프로세스만 로드할수있음.

- 낮은 활용도( utilization )와 효율성( efficiency )

Multiprogramming and Time Sharing

- 메모리에 여러 프로세스를 로드

=> 하나씩 짧게 실행, 프로세스를 스위칭하여 실행

=> 활용도( utilization )과 효율성( efficiency ) 증대

==> 단점 : 다른 프로세스의 잘못된 메모리 액세스 문제가 발생할수있음

메모리 공간 ( Address Space )

- OS는 물리적 메모리의 추상화를 생성

- 주소 공간에는 실행 중인 프로세스에 대한 모든 것이 포함되어있음

- (프로그램) 코드(code), 힙(heap), 스택(stack) 등으로 구성 (free는 안 쓰고 있는 공간)

코드( Code ) : instruction이 있는 곳

힙( Heap ) : 동적으로 할당된 메모리 영역

-> C언어에서는 malloc, 객체지향언어에서는 new

스택( Stack ) : 주소(return address)나 값(value)을 저장하는 영역

-> 지역 변수( local variables ), arguments to routines

이런식으로 물리 메모리와 주소공간을 연결한다.

가상 주소 ( Virtual Address )

- 모든 프로그램에서의 주소는 모두 가상 주소

=> OS는 가상주소를 물리주소로 바꿔준다

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main(int argc, char *argv[]){
	printf("location of code : %p\n", (void *) main);
	printf("location of heap : %p\n", (void *) malloc(1));
	int x = 3;
	printf("location of stack : %p\n", (void *) &x);
	return x;
}

주소 변환 ( Address Translation )

효율적인 메모리 가상화 및 제어
- 메모리 가상화는 효율성 및 제어를 위해 limited direct execution(LDE) 과 유사한 전략을 사용

- 메모리 가상화에서 효율성과 제어는 하드웨어 서포트로 달성됨
EX) 레지스터, TLB( (Translation Look-aside Buffer ), 페이지 테이블

- 하드웨어는 가상 주소를 실제 주소로 변환
=> 원하는 정보는 실제로는 물리적 주소에 저장됨

- OS는 메모리의 어떤 위치가 비어 있고 어떤 위치가 사용 중인지 추적해야함

가정

- 사용자의 주소 공간-> 물리적 메모리에 연속적으로 배치되어야함
- 메모리 -> 주소 공간의 크기가 물리적 메모리 크기보다 작아야 함

- 각 주소 공간의 크기가 정확히 같아야함

이러한 C언어 코드가 있다고 한다면, (이 코드는 Load, Increment, Store를 하는 코드)

void func()
	int x;
	...
	x = x + 3; // this is the line of code we are interested in

128 : movl 0x0(%ebx), %eax ; load 0+ebx into eax
132 : addl $0x03, %eax ; add 3 to eax register
135 : movl %eax, 0x0(%ebx) ; store eax back to mem

어셈블리어 코드는 이러하다(Load, Add, Store)

=> OS는 프로세스를 물리적 메모리에 저장한다(주소 0이 아님), 하지만 주소공간(가상메모리)은 0에서부터 시작한다

Software-based relocation (정적)

- OS가 각 프로그램을 메모리에 로드하기 전에 다시 작성
- 정적( static ) 데이터 및 함수의 주소 변경

장점

- 하드웨어 서포트가 필요하지않음

단점

- 프로세스가 OS 또는 다른 프로세스의 메모리 영역을 파괴할 수 있음

- 모든 메모리의 주소를 읽을수있음(No privacy)

- 주소 공간을 배치한 후에는 변경할 수 없음

- external fragmentation(외부 단편화)로 인해 새 프로세스를 할당받지 못할 수 있음

Hardware-based relocation (동적)

- MMU( Memory Management Unit , 메모리 관리 유닛)는 모든 메모리 참조 명령어의 주소변환을 수행함

- 하드웨어에 의한 Protection

=> 만약 가상 주소가 유효하지 않으면 MMU는 예외( exception )를 발생시킴

- OS는 현재 프로세스의 유효한 주소 공간에 대한 정보를 MMU에 전달

프로그램이 실행될때, Os는 프로세스가 물리 메모리의 어디에 load될지 결정

아까와 같은 코드에서는 이렇게 변환된다

메모리 가상화에 있어서 OS 이슈

=> 3가지 시점이 중요

- 프로세스가 실행을 시작할때 : 주소 공간을 위한 물리 메모리에서의 공간 찾기

-> free list : 사용하지않는 물리적 메모리 범위의 리스트

- 프로세스가 종료될때 : 메모리 회수( Reclaiming the memory for use ) (= 다시 free list로)

- 프로세스가 컨텍스트 스위칭될 때 : Saving and storing the base-and-bounds pair => PCB( process control block )에

Segmentation

Base and Bound Approach의 비효율성

- 큰 덩어리의 free space

- free space는 물리 메모리 공간을 차지함

- 주소공간이 물리적 메모리에 들어가지 않아, 실행할 수 없을 수도 있음

=> 주소 공간을 logical segments로 나누기

- segments는 특정 길이의 주소 공간의 연속적인 부분
- 각 segment는 주소 공간의 논리적 엔티티 ( logical entity ) 에 해당됨
- 논리적으로 다른 segment : code, stack, heap

각 segment 는 독립적으로
- 물리적 메모리의 다른 부분에 배치될 수 있음
- 확장 또는 축소
- 각 segment 마다 base, bound가 존재

offset(주소공간, 가상 메모리 주소)과 base를 알면 물리 메모리 주소를 알수있음

=> 가상 메모리 주소 + base는 정확한 물리 메모리 주소가 아님

=> 가상 메모리 -> 물리 메모리 변환을 통해 프로그램이 필요로 하는 메모리 주소 : 34920

????????????뭔소리지...

- 만약 잘못된 주소 (7KB 같이) heap이 참조하는 값 범위 밖이면, OS는 segmentation fault를 일으킨다, 하드웨어는 이를 out of bounds 라고함

세그먼트 참조 ( Referring to Segment )

	// 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)