메모리 가상화를 정리하는 대화

학생: (지쳐) 와, 정말 많은 내용이었네요.

교수: 그렇구나. 그래서 이제 어떻게 할 생각이야? 시험 대비라고?

학생: 음, 그렇죠. 하지만 이렇게 많은 내용을 어떻게 다 기억하라는 거죠?

교수: 세상에, 그저 시험을 위해 이 내용들을 기억하려는 것이 아니길 바라네.

학생: 그러면 왜 기억해야 하는 거죠?

교수: 글쎄, 그보다 더 중요한 이유가 있지. 세상에 나갔을 때 시스템들이 실제로 어떻게 동작하는지 알기 위해서, 여기서 무언가를 배우는 것이 중요하지 않니?

학생: 흠… 예를 하나 들어주실 수 있나요?

교수: 물론이지! 대학원 때 내 친구가 메모리 접근 속도를 측정하고 있었는데, 가끔씩 예상보다 훨씬 느린 속도가 나왔어. 모든 데이터가 레벨 2 캐시에 다 들어갔다고 생각했거든. 그래서 접근 속도가 엄청 빠를 것이라고 말이지.

학생: (고개를 끄덕이며)

교수: 무슨 일인지 알 수 없었어. 그런 경우에는 어떻게 해야 할까? 쉬워, 교수님께 물어보는 거지! 우리 지도교수님 중 한 분께 찾아가서 질문했지. 그 교수님은 우리가 만든 그래프를 보시더니, 간단하게 “TLB”라고 말씀하셨어. 아하! 그렇지, TLB 미스들이 있었던 거야! 왜 그것을 생각하지 못했을까? 가상 메모리가 어떻게 동작하는지에 대한 모델을 잘 이해하고 있으면 여러 종류의 흥미로운 성능 관련 문제들을 진단하는 데 도움이 된단 말이지.

학생: 이해할 수 있을 것 같아요. 이런 것들이 어떻게 동작하는지 개념적 모델을 만들려고 노력하고 있거든요. 현장에 나가 혼자 일하면서, 시스템이 예상과 다르게 동작하더라도 놀라지 않도록 말이죠. 시스템이 어떻게 동작할지를 생각만으로도 예상을 할 수 있게 되겠네요.

교수: 정확히 그렇지. 그래서 지금까지 무엇을 배웠니? 가상 메모리가 어떻게 동작하는지 이해하게 되었니?

학생: 음, 프로세스가 메모리를 참조할 때 어떤 일들이 일어나는지에 대한 개념은 이제 잘 잡은 것 같아요. 여러 번 언급하셨는데요, 프로세스가 각 명령어들을 반입하는 것과 또한 명시적으로 로드와 스토어를 수행할 때 어떻게 동작하는지를 이해했어요.

교수: 좋아 보이는구나. 그럼 더 자세히 설명해 봐 줄 수 있니?

학생: 음, 이거 하나는 항상 기억할 건데요, 예를 들어 C 언어로 작성된 프로그램에서 볼 수 있는 주소들은 말이죠…

교수: 다른 언어들도 어떤 것이 있니?

학생: (계속하면서) … 네, 교수님이 C를 좋아하시는 것 알아요. 저도 그렇죠! 어쨌든, 제가 말하려고 했던 것은요, 이제는 프로그램 내에서 볼 수 있는 주소들은 가상 주소들이라는 것을 정확히 알겠어요. 데이터와 코드가 메모리에 있는 것처럼 보이도록 프로그래머에게 환상을 심어준다는 것도 알겠어요. 예전에는 포인터의 주소를 출력해 볼 수 있다는 것이 멋지다고 생각했죠. 그렇지만, 이제는 불만스럽습니다. 그저 가상 주소일 뿐이잖아요! 데이터가 존재하는 실제 물리 주소를 볼 수가 없단 말이죠.

교수: 그래, 운영체제는 그러한 정보들을 볼 수 있도록 설계되었지. 하지만 일반적인 프로그래머에게는 필요하지 않은 정보야. 중요한 것은 프로그램이 올바르게 동작하는 것이고, 그러기 위해서는 가상 메모리 시스템이 투명하게 작동해야 한다는 거지.

학생: 그렇군요. 그래서 TLB가 중요하다는 것을 알게 되었어요. 주소 변환을 위한 작은 하드웨어 캐시가 말이죠. 페이지 테이블은 크고 느린 메모리에 존재하기 때문에 TLB가 정말 핵심적인 것 같아요. TLB가 없다면 프로그램 속도가 엄청 느려질 거예요. 가상 메모리를 실제로 가능하게 만드는 것은 TLB라고 생각합니다. TLB 없이 시스템을 만드는 것은 상상할 수가 없죠! 그리고 TLB가 다룰 수 있는 범위를 넘어서는 작업 세트를 갖는 프로그램을 생각하면 몸서리가 처지네요. 그 많은 TLB 미스들을 처리하는 것은 쉽지 않을 것 같아요.

교수: 그렇지. TLB는 가상 메모리 시스템의 핵심적인 부품이라고 할 수 있지. TLB 외에 또 무엇을 배웠니?

학생: 페이지 테이블 또한 중요한 자료 구조라는 것을 알게 되었어요. 하지만 그저 자료 구조일 뿐이고, 어떤 자료 구조든 사용될 수 있다는 것을 알았습니다. 처음에는 배열과 같은 간단한 자료 구조(선형 페이지 테이블이라고도 불림)로 시작하고, 멀티레벨 테이블(트리처럼 보이는 것)로 발전했습니다. 그리고 커널의 가상 메모리 페이지 테이블에 페이지를 사용할 수 있는 좀 더 복잡한 방법도 배웠습니다.

교수: 좋아.

학생: 그리고 주소 변환 자료 구조는 프로그래머가 자신의 주소 공간에서 원하는 작업을 수행할 수 있도록 충분히 유연해야 한다는 것을 알게 되었어요. 멀티레벨 테이블과 같은 자료 구조는 그런 면에서 완벽합니다. 사용자가 주소 공간의 일부만 필요할 때만 테이블에 공간을 생성하기 때문에 적은 양의 메모리만 낭비됩니다. 간단한 베이스와 바운드 레지스터를 사용하던 초기의 방법은 충분히 유연하지 못했습니다. 자료 구조는 사용자가 예상하는 수준에 부합해야 하고 가상 메모리 시스템에서 원하는 기능을 제공해야 합니다.

교수: 훌륭한 관찰이야. 디스크로 스왑하는 것에 대해서는 어떻게 생각하니?

학생: 음, 분명히 공부하기 재미있었고, 페이지 교체 정책이 어떻게 작동하는지 알게 되어 좋았어요. 기본적인 정책들은 약간은 당연했지만(예를 들어 LRU와 같은), 실제 가상 메모리 시스템을 만드는 것은 좀 더 흥미로운 것 같아요. VMS 사례 연구에서 보았던 것처럼 말이죠. 하지만 왜 그런지, 기법들이 정책들보다 더 흥미로운 것 같아요.

교수: 오, 왜 그렇게 생각했을까?

학생: 음, 말씀하셨듯이, 결국에는 정책에 대한 문제에 대한 최선의 해결책은 간단했습니다. 메모리를 더 많이 사라고 하셨죠. 하지만, 기법은 실제로 어떻게 동작하는지를 이해하고 있어야 한다는 말이죠. 말이 나온 김에 …

교수: 그래?

학생: 음, 제 기계가 요즘에 상당히 느려진 것 같아요… 메모리가 그렇게 비싸지도 않으니까…

교수: 오 좋아, 괜찮아! 여기 얼마 줄게. 가서 DRAM 좀 사거라. 구두쇠 씨.

학생: 교수님, 감사합니다! 이제 디스크로 절대로 스왑하지 않으리라—또는 만약 한다고 해도, 최소한 어떤 일이 실제로 일어나는지는 알겠습니다!