가상기억장치 구현 시 시스템 성능에 영향을 미치는 요소

가상기억장치를 구현할 때 페이지 크기, Locality, 워킹 셋, 페이지 부재 빈도, 프리페이징 등 다양한 요소들이 시스템 성능에 영향을 미친다. 각각에 대해서 간단하게 살펴보도록 하자.

​

첫 번째로 페이지 크기이다. 페이징 기법을 사용하면 프로그램을 페이지 단위로 나누게 되는데, 페이지의 크기에 따라 시스템에 미치는 영향이 다르다.

페이지 크기가 작을 경우

• 페이지 단편화가 감소되고, 한 개의 페이지를 주기억장치로 이동하는 시간이 줄어듬
• 불필요한 내용이 주기억장치에 적재될 확률이 낮으므로 효율적인 워킹 셋을 유지할 수 있음
• Locality에 더 일치할 수 있기 때문에 기억장치 효율이 높아짐
• 페이지 정보를 갖는 페이지 맵 테이블의 크기가 커지고, 매핑 속도가 늦어짐
• 디스크 접근 횟수가 많아져서 전체적인 입출력 시간이 늘어남

페이지 크기가 클 경우

• 페이지 정보를 갖는 페이지 맵 테이블의 크기가 작아지고, 매핑 속도가 빨라짐
• 디스크 접근 횟수가 줄어들어 전체적인 입출력의 효율성이 증가
• 페이지 단편화가 증가되고, 한 개의 페이지를 주기억장치로 이동하는 시간이 늘어남
• 프로세스 수행에 불필요한 내용까지도 주기억장치에 적재되어 공간 낭비 발생

 

두 번째로 지역성(Locality)이다. 지역성은 프로세스가 실행되는 동안 주기억장치를 참조할 때 일부 페이지만 집중적으로 참조하는 성질이 있다는 이론을 의미한다.

시간 지역성(Temporal Locality)

• 프로세스가 실행되면서 하나의 페이지를 일정 시간 동안 집중적으로 액세스하는 현상
• 한 번 참조한 페이지는 가까운 시간 내에 계속 참조할 가능성이 높음을 의미
• 시간 지역성이 이루어지는 기억 장소 : Loop, 스택, 부 프로그램, Counting, 집계에 사용되는 변수(기억 장소)

공간 지역성(Spatial Locality)

• 프로세스가 실행 시 일정 위치의 페이지를 집중적으로 액세스하는 현상
• 어느 하나의 페이지를 참조하면 그 근처의 페이지를 계속 참조할 가능성이 높음을 의미
• 공간 지역성이 이루어지는 기억 장소 : 배열 순회, 순차적 코드의 실행, 프로그래머들이 관련된 변수들을 서로 근처에 선언하여 할당되는 기억 장소, 같은 영역에 있는 변수를 참조할 때 사용

 

세 번째로 워킹 셋(Working Set)이다. 워킹 셋은 프로세스가 일정 시간 동안 자주 참조하는 페이지들의 집합을 의미한다. 자주 참조되는 워킹 셋을 주기억장치에 상주시킴으로써 페이지 부재 및 페이지 교체 현상을 줄일 수 있다.

​시간이 지남에 따라 자주 참조하는 페이지들의 집합이 변화하기 때문에 워킹 셋 또한 시간에 따라 변경된다.

​

네 번째로 페이지 부재 빈도(Page Fault Frequency, PFF)이다. 페이지 부재는 프로세스 실행 시 참조할 페이지가 주기억장치에 없는 현상이며, 페이지 부재 빈도는 페이지 부재가 일어나는 횟수를 의미한다.

​페이지 프레임의 수를 적절하게 설정하여 페이지 부재율을 적정 수준으로 유지해야 한다.

 

다섯 번째로 프리페이징(Prepaging)이다. 프리페이징은 처음의 과도한 페이지 부재를 방지하기 위해 필요할 것 같은 모든 페이지를 한꺼번에 페이지 프레임에 적재하는 기법이다.

​

마지막으로 스레싱(Thrashing)이다. 스레싱은 프로세스의 처리 시간보다 페이지 교체에 소요되는 시간이 더 많아지는 현상을 의미한다.

​다중 프로그래밍 시스템이나 가상기억장치를 사용하는 시스템에서 하나의 프로세스 수행 과정 중 자주 페이지 부재가 발생함으로써 나타나는 현상으로, 전체 시스템의 성능이 저하된다.

​다중 프로그래밍의 정도가 높아짐에 따라 CPU의 이용률은 어느 특정 시점까지는 높아지지만, 다중 프로그래밍의 정도가 더욱 커지면 스레싱이 나타나고, CPU의 이용률은 급격히 감소하게 된다.

 

스레싱 현상 방지 방법

• 다중 프로그래밍의 정도를 적정 수준으로 유지
• 페이지 부재 빈도를 조절하여 사용
• 워킹 셋을 유지
• 부족한 자원을 증설하고, 일부 프로세스를 중단
• CPU 성능에 대한 자료의 지속적 관리 및 분석으로 임계치를 예상하여 운영