행복한디벨로퍼

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.

1. 페이징스페이스(Pagingspace)

페이징스페이스는 메인 메모리가 부족할 때 사용하는 디스크 공간으로, 스왑 스페이스(Swapspace)라고도 한다. 

1GB 메모리가 탑재된 시스템에서 이미 900MB 메모리를 운영체제와 다른 프로세스가 사용하고 있는데, 300MB 메모리를 사용하는 프로세스를 새로 실행한다고 가정해 보자. 여유 메모리가 100MB밖에 없어 신규 프로세스를 기동할 수 없는 상황으로 보인다. 그러나 운영체제는 현재 사용 중인 900MB 메모리 중 200MB 정도를 디스크에 존재하는 페이징스페이스라는 곳으로 옮김으로써 메인 메모리에서 300MB를 확보해 신규 프로세스를 수행한다.

즉, 페이징스페이스는 운영체제가 메인 메모리 크기 이상의 메모리를 사용할 수 있게 해주는 역할을 한다. 그러나 시스템 성능 관점에서 보면 페이징스페이스는 디스크에 프로세스 메모리를 쓰고, 읽는 스와핑 작업으로 인해 메모리 접근만으로 처리될 때메 비해 큰 성능 저하가 발생한다. 따라서 스와핑이 발생하지 않도록 메모리 여유율을 유지하는 것이 성능에 중요하다.

2. 페이징(Paging)

가상 메모리 체계에서는 운영체제가 인식하는 일정한 크기(4KB, 64KB)의 데이터 기록 단위를 페이지라고 한다. 메인 메모리로부터 한 페이지의 데이터를 보조 기억장치(디스크)로 복사하거나 보조 기억장치로부터 메인 메모리로 로드하는 것을 페이징이라고 한다.

3. 스와핑(Swapping)

메모리에서 페이지 혹은 세그먼트 단위 데이터를 교환하는 것으로 컴퓨터가 메모리보다 큰 프로그램을 실행하거나 메모리보다 큰 데이터 파일을 다룰 수 있게 한다. 가상 메모리 체계에서는 페이징 기법을 이용해 스와핑을 수행한다. 스와핑은 프로세스가 사용하는 메모리 일부를 페이징스페이스로 옮기거나 페이징스페이스로부터 메모리로 로드하는 것을 가리킨다.

4. 페이지 부재(Page Fault)

페이징 방식의 가상메모리에서 CPU가 사용하려는 페이지가 메인 메모리에 없는 경우다. 사용하려는 가상 메모리 주소에 해당 페이지를 매핑 테이블에서 주소 변환할 때 해당 페이지가 메인 메모리에 없다고 표시돼 있으면 페이지 부재가 발생한다. 이 경우 해당 페이지를 디스크에 있는 파일 또는 페이징스페이스에서 가져와야 하고 메인 메모리가 부족한 경우에는 다른 페이지와 교체해야 한다.

5. 페이지 인(Page In)

가상 메모리에서 페이지 부재가 일어났을 때 디스크에 있는 프로그램이나 데이터를 메모리에 로드하는 것

6. 페이지 아웃(Page out)

가상 메모리에서 페이지 부재가 발생했을 때 메모리가 부족하면 페이지 스틸러(Page stealer)는 기존 메모리를 디스크로 기록하는 페이지 아웃이라는 작업을 수행한다. 기록 대상 메모리가 프로세스의 작업 세그먼트(Work segment)영역에 있는 메모리면 페이징스페이스로 기록하고, 파일에서 읽어 들인 내용(Permanent segment)인 경우 페이지의 내용이 변경됐으면 디스크의 해당 파일에 기록하고 그렇지 않으면 소멸시킨다.

7. 페이지 스캔률(Page Scan Rate)

운영체제는 일정량의 여유 페이지(Free page)를 확보해서 필요할 경우 즉시 제공하기 위해 페이지 스캔 (Page scan)이라는 검색을 통해 해제함으로써 여분으로 확보할 페이지를 찾는다. 여유 페이지 목록(Free page list) 임계치보다 여유 페이지 수가 줄어들면 메모리 관리자는 기존의 페이지 인된 것 중에서 LRU 알고리즘 검색을 통해 페이지 아웃이 가능한 것을 찾아 페이지 아웃시킨 후 여유 페이지로 변경한다. 여기서 페이지 아웃이 가능한 페이지를 탐색하는 빈도를 의미하는 페이지 스캔률이 나오는데 빈도가 높다는 것은 해제할 페이지가 넉넉하지 못하기 때문에 자주 메모리를 탐색해야 한다는 의미로 볼 수 있다. 

해당 내용은 '실무로 배우는 시스템 성능 최적화' 책의 내용중 일부를 발췌한 것입니다.