메모리 관리 - 페이징과 세그멘테이션

✅ 1. 페이지(Paging)란?

➡ 가상 주소와 물리적 주소를 매핑하는 단위이다.
➡ 메모리를 작은 크기의 블록(페이지) 단위로 나누어 관리하는 방식이다.

📌 특징:

• 한 페이지 크기는 보통 4KB 또는 8KB이다.

• 페이지 단위로 메모리를 나누어 관리하기 때문에 공간을 효율적으로 활용 가능하다.

• 물리적 메모리와 가상 주소를 연결하는 페이지 테이블(Page Table)이 필요하다.

📌 비유:

• 책을 일정한 크기의 페이지 단위로 나누어 관리하는 것과 같다.

• 📖 각 페이지에는 일정한 정보가 포함되며, 필요한 페이지만 빠르게 찾을 수 있다.

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✅ 2. 페이지 테이블(Page Table)이란?

➡ 가상 주소의 페이지와 실제 물리 메모리의 페이지를 매핑하는 표이다.

📌 특징:

• 프로세스가 접근하는 가상 주소는 실제 물리 주소와 다를 수 있다.

• 페이지 테이블을 통해 가상 주소를 실제 물리 주소로 변환한다.

• 페이지 번호 ↔ 물리 메모리 번호를 연결하여 관리한다.

📌 비유:

• 호텔 객실 배정표와 같다. 🏨

• 고객(프로세스)이 예약한 방(가상 주소)이 실제 배정된 방(물리 주소)과 다를 수 있으므로 객실 배정표(페이지 테이블)를 보고 확인해야 한다.

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✅ 3. 스와핑(Swapping)이란?

➡ 메모리가 부족할 때, 사용 빈도가 적은 프로세스를 하드디스크로 이동하는 방식이다.

📌 특징:

• 새로운 프로세스를 실행할 공간이 부족하면 기존 프로세스(A, B, C) 중 하나를 하드디스크로 이동시킨다.

• 나중에 다시 필요하면 하드디스크에서 메모리로 불러온다.

📌 비유:

• 책상이 꽉 차면, 잘 사용하지 않는 책을 책장(하드디스크)으로 옮기는 것과 같다.

• 다시 필요해지면 책장에서 꺼내 책상 위에 올려놓고 사용한다.

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✅ 4. 요구 페이징(Demand Paging)이란?

➡ 프로세스 전체를 스와핑하는 것이 아니라, 필요한 페이지만 메모리에 로드하는 방식이다.

📌 특징:

• 당장 필요한 페이지만 메모리에 올려 메모리 낭비를 줄일 수 있다.

• 프로세스 전체가 아닌 일부만 옮겨오기 때문에 속도가 빠르고 효율적이다.

📌 비유:

• 📚 책 전체를 책상에 펼쳐 놓지 않고, 필요한 페이지만 펼쳐서 보는 것과 같다.

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✅ 5. 캐시(Cache)란?

➡ 자주 사용하는 데이터를 빠르게 사용하기 위해 임시로 저장하는 공간이다.

📌 특징:

• 메모리보다 속도가 빠르며, CPU와 데이터를 빠르게 교환하기 위해 사용된다.

• 자주 사용하는 데이터를 캐시에 저장해 다시 불러오는 속도를 빠르게 한다.

📌 비유:

• ✋ 손바닥에 적은 메모처럼, 중요한 정보를 쉽게 접근할 수 있도록 보관하는 것과 같다.

• 하지만 손바닥이 작아서 모든 정보를 적을 수 없는 것처럼, 캐시도 용량이 제한적이다.

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✅ 6. 요구 페이징과 캐시의 관계

➡ 실제 물리 메모리는 하드디스크의 캐시 역할을 한다.

📌 특징:

• 자주 사용하는 데이터를 실제 메모리에 두어 빠르게 접근할 수 있도록 관리한다.

• 메모리에 없는 데이터는 느린 하드디스크에서 가져와야 하므로, 가급적 많이 쓰는 데이터를 메모리에 유지하려고 한다.

📌 비유:

• 책상(메모리) 위에 자주 보는 책을 두고, 책장(하드디스크)에서 필요할 때만 가져오는 것과 같다.

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✅ 7. 페이징의 문제점: 내부 단편화(Internal Fragmentation)

➡ 페이지 크기가 고정되어 있어, 남는 공간이 생기는 현상이다.

📌 특징:

• 예를 들어 페이지 크기가 4KB이고, 데이터 크기가 3KB라면 1KB가 낭비된다.

• 작은 프로그램을 실행해도 정해진 페이지 크기만큼 공간이 할당되므로 비효율적일 수 있다.

📌 비유:

• 📦 큰 상자에 작은 물건을 넣으면 남는 공간이 생기는 것과 같다.

• 공간이 낭비되므로, 이를 줄이기 위해 적절한 페이지 크기를 선택해야 한다.

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✅ 8. 세그멘테이션(Segmentation)이란?

➡ 메모리를 논리적인 의미 단위(코드, 데이터, 스택 등)로 나누어 관리하는 방식이다.

📌 특징:

• 프로그램의 논리적인 구조(코드, 데이터, 스택)를 독립적인 세그먼트로 나누어 관리한다.

• 세그먼트 크기는 일정하지 않으며, 필요에 따라 다르게 할당된다.

📌 비유:

• 🌸 꽃 그림을 의미 있는 부분(꽃잎, 줄기, 잎)으로 나누는 것과 같다.

• 의미를 유지하면서 나누므로, 중요한 데이터를 효과적으로 관리할 수 있다.

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✅ 9. 페이징 vs 세그멘테이션

📌 비유:

• 페이징: 📏 일정한 크기로 무조건 자르는 방식 (퍼즐 조각)

• 세그멘테이션: ✂️ 의미 있는 단위로 나누는 방식 (꽃 그림 나누기)

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✅ 10. 페이징과 세그멘테이션을 결합한 방식

➡ 세그멘트 단위로 나누고, 세그먼트를 다시 페이지로 나누는 방식이다.

📌 특징:

• 세그멘테이션의 논리적인 구조 유지 + 페이징의 효율적인 메모리 관리 장점 결합

• 외부 단편화를 줄일 수 있지만, 주소 변환 과정이 많아 속도가 느려질 수 있음

📌 비유:

• 도서관에서 책을 카테고리(세그먼트)로 나누고, 카테고리 안에서 페이지(페이징) 단위로 관리하는 것과 같다.

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✅ 핵심 요약

✔ 페이징: 메모리를 일정한 크기(페이지)로 나누어 관리하는 방식
✔ 페이지 테이블: 가상 주소와 실제 물리 주소를 연결하는 표
✔ 스와핑: 사용하지 않는 프로세스를 하드디스크로 이동하여 메모리 확보
✔ 요구 페이징: 필요한 페이지만 메모리에 로드하여 효율적으로 사용
✔ 캐시: 자주 사용하는 데이터를 빠르게 접근할 수 있도록 저장하는 공간
✔ 내부 단편화: 고정된 페이지 크기 때문에 생기는 낭비 공간
✔ 세그멘테이션: 메모리를 의미 단위(코드, 데이터 등)로 나누어 관리하는 방식
✔ 페이징 + 세그멘테이션: 두 기법을 결합하여 장점을 활용하는 방식