가상 메모리 (Virtual Memory)

핵심 개념

가상 메모리(Virtual Memory)는 프로세스의 논리적 메모리를 물리적 메모리와 분리하여, 물리 메모리보다 큰 프로그램도 실행할 수 있게 해주는 기법입니다. 대부분의 프로그램은 실행 시 전체 코드가 필요하지 않으므로(에러 처리 코드, 드물게 쓰는 옵션 등), 참조 지역성(locality of reference)을 활용하여 필요한 부분만 물리 메모리에 적재합니다.

동작 원리

1. 프로세스에게 연속적인 가상 주소 공간(Virtual Address Space)을 제공
2. MMU(Memory Management Unit)가 가상 주소를 물리 주소로 변환
3. 필요한 페이지만 물리 메모리에 적재, 나머지는 보조 저장장치(swap space)에 유지
4. 접근 시 메모리에 없으면 페이지 폴트 발생 → 해당 페이지를 메모리로 로드

[가상 주소 공간]          [물리 메모리]        [보조 저장장치]
    max
   ┌─────┐                 ┌─────┐             ┌─────┐
   │stack│ ←────────────→  │page │             │     │
   │     │                 │frames│            │swap │
   │(hole)│    MMU         │     │             │space│
   │     │  ─────────→     │     │ ←─────→     │     │
   │heap │                 │     │             │     │
   │data │                 └─────┘             └─────┘
   │text │
    0

예시

4GB 물리 메모리 시스템에서 8GB 크기의 프로그램 실행 시, 프로그램 전체를 메모리에 올릴 수 없지만 가상 메모리를 통해 현재 실행에 필요한 부분만 메모리에 적재하여 실행할 수 있습니다.

도서관에서 책을 빌릴 때, 모든 책을 집에 가져오는 대신 필요한 책만 빌려오고 다 읽으면 반납하고 새 책을 빌리는 것과 같습니다.

• 프로그램이 물리 메모리 크기에 제한받지 않음
• 더 많은 프로세스를 동시에 실행 가능 (멀티프로그래밍 증가)
• 프로세스 간 라이브러리/메모리 공유 가능
• 프로세스 생성 효율화 (fork 시 Copy-on-Write)
• 단점: 페이지 폴트 발생 시 성능 저하, 스래싱(thrashing) 위험, MMU 하드웨어 필요

관련 개념

• 논리 주소와 물리 주소
• 요구 페이징 (Demand Paging)
• 계층적 페이징 (Hierarchical Paging)
• 멀티프로그래밍 (Multiprogramming)