운영체제 측면에서 Memory(메모리), Virtual Memory(가상메모리)

가상메모리에 대해 설명하기 앞서 자바 기반 솔루션의 경우 설정한 최대 힙 메모리 이상을 사용하지 않기 때문에 최대 힙 메모리가 운영체제의 메모리를 넘기지 않도록 설정됬다면 운영체제의 메모리 부족이 발생할 가능성은 낮다. 하지만 한정된 힙 메모리 내에서 동작하기 때문에 대량의 데이터 처리와 빈번한 GC로 인한 성능 저하가 유발될 가능성이 있다. OS 메모리 용량이 많아 힙 메모리를 과하게 크게 설정한 경우에는 메모리를 청소하는 GC 작업으로 순간 순간 멈추는 시간이 길어져 서비스 안정성이 떨어질 수도 있다.

오라클 버퍼 캐시처럼 데이터베이스는 디스크에서 데이터를 읽어옮으로써 발생하는 성능 저하를 개선하기 위해 메모리에 최근에 사용한 데이터 블록을 캐시해서 재사용하는 알고리즘이 있다. 통상 이 버퍼에 대한 캐시 적중률은 90%이상 나오는 것이 일반적인데, 캐시의 메모리 크기가 너무 작게 설정된 경우 캐시 적중률이 떨어져 디스크에서 데이터 블록을 읽어와야 하는 ㅂ니도가 늘어나 성능 저하를 유발할 수도 있다. 반대로 캐시를 크게 설정해 운영체제에서 스왑이 발생하게 되면 오히려 작게 설정한 것보다 성능이 더욱 악화되어 서비스가 거의 멈추는 상태가 유발될 수도 있다.

Virtual Memory(가상메모리)

서버는 설치할 수 있는 메인 메모리 (Main memory, Physical memory)에 한계가 있고, 예상치 못하게 메모리 사용량이 크게 증가할 수도 있지만 메모리는 비싼 자원으로 언제 발생할지 모르는 상황에 대비해 메모리를 충분히 확보하기 어렵다. 그래서 운영체제는 위와 같은 제약사항을 극복하기 위해 상대적으로 값싼 디스크를 보조 메모리로 사용하는 방식을 사용하고 있다. 디스크의 일정 공간을 할당해 보조 메모리 용도로 사용하는데 이를 페이징스페이스라고 한다. 

메인 메모리(주 기억장치)와 디스크의 페이징스페이스(Pagingspace, 보조 기억장치)를 묶어 하나의 메모리처럼 동작하게 함으로써 메인 메모리 한계를 넘는 메모리 사용을 가능하게 하는 것이 가상 메모리다.

운영체제에서 관리하는 메모리 액세스 단위를 페이지(page)라고 하며 통상 4KB 단위다. 이 페이지 단위로 일부는 메인 메모리에 있을 수도 있고 또 일부는 페이징스페이스에 있을 수도 있는 것이다.

프로세스 내에서 사용 중인 가상 메모리 주소만 봐서는 해당 페이지가 메인 메모리에 있는지 페이징스페이스에 있는지 확인할 수 없다. 그렇다고 페이징스페이스가 메인 메모리와 동일한 것은 아니다. 메인 메모리의 입출력 속도가 디스크에 비해 비교가 안 될 정도로 우수하기 때문에 프로세스가 기동되면 기본적으로 메인 메모리를 사용하다가 부족해지면 페이징스페이스를 사용하게 된다. 이때도 CPU가 페이징스페이스에 있는 데이터를 메인 메모리처럼 바로 사용할 수 있는 것이 아니라 사용 빈도가 낮은 프로세스의 메인 메모리 사용 부분을 페이징스페이스 부분으로 옮겨 여유 메모리를 확보한 후 사용할 페이징스페이스 부분을 메인 메모리로 로드해서 사용하는데, 이를 스와핑이라고 한다. 그래서 CPU가 직접 접근할 수 있는 메인 메모리를 활성 가상 메모리(Active virtual memory)라 하고, 페이징스페이스를 비활성 가상 메모리(Inactive virtual memory)라고 한다. 

가상 메모리 주소는 프로세스 내에서만 유효한 주소다. 각 프로세스는 가상 메모리 주소와 실제 주소 간의 매핑 테이블 (Virtual-to-physical translation table)을 가지고 있어 가상 메모리 주소로 실제 주소를 찾아갈 수 있게 돼 있다. 실제 주소는 메인 메모리와 페이징스페이스의 주소를 가리킨다. 

 

해당 글은 '실무로 배우는 시스템 성능 최적화'의 메모리 부분에서 발췌한 내용입니다.