가상 메모리란 무엇이고 운영체제는 왜 그것을 사용하는가?

Question

IT Interview Practice · Accepted Answer

**가상 메모리(virtual memory)**는 실제로 물리 RAM이 얼마나 있든, 데이터가 실제로 어디에 놓여 있든 상관없이 모든 프로세스에게 자신만의 사적이고 연속적인 메모리 주소 블록(0부터 큰 최댓값까지)을 가진 듯한 착각을 준다. OS와 CPU의 **MMU(Memory Management Unit)**가 이 **가상 주소(virtual address)**를 실행 중에 **물리 주소(physical address)**로 변환한다.

## 착각이 작동하는 방식

메모리는 고정 크기의 **page**(흔히 4 KB)로 나뉜다. 프로세스마다 존재하는 **page table**이 각 가상 page를 물리 **frame**에 매핑한다:

```text
   Virtual address space          Page table            Physical RAM
   (per process)                                         (shared)
   ┌──────────┐  page 0 ─────────▶ frame 5  ───────────▶ ┌────────┐ frame 5
   │  page 0  │                                          │        │
   │  page 1  │  page 1 ─────────▶ frame 2  ───────────▶ ├────────┤ frame 2
   │  page 2  │  page 2 ─────────▶ (on disk) swap-in ──▶ │        │
   │   ...    │                                          └────────┘
   └──────────┘
```

## 가상 메모리가 존재하는 이유

- **격리(Isolation)** — 각 프로세스의 주소는 서로 다른 frame에 매핑되므로, 프로세스 A는 말 그대로 프로세스 B의 메모리를 지칭할 수조차 없다. 이것이 보호의 하드웨어적 기반이다.
- **오버커밋 / RAM보다 큼** — 사용하지 않는 page는 디스크(**swap**)에 있을 수 있다. RAM은 working set만 담으므로, 프로그램은 물리적으로 장착된 것보다 더 많은 메모리를 쓸 수 있다.
- **프로그램에게 단순함** — 모든 프로세스가 동일하게 깔끔하고 연속적인 레이아웃을 받는다. compiler/linker는 그것이 RAM의 어디에 놓이는지 신경 쓰지 않는다.
- **공유(Sharing)** — 동일한 물리 frame(shared library, 또는 `fork` 이후의 copy-on-write page)을 여러 프로세스에 매핑할 수 있다.

프로세스가 RAM에 없는 page를 건드리면, MMU가 **page fault**를 일으키고 OS가 그것을 로드한다(디스크에서 가져오거나, 새 page를 0으로 채운다).

## 왜 중요한가

가상 메모리는 프로그램이 RAM을 쓰는 방식에 관한 거의 모든 것의 바탕이다: 프로세스 격리, `fork`가 빠른 이유(copy-on-write), memory-mapped 파일이 작동하는 이유, 그리고 프로그램이 건드리기 전까지는 실제 메모리로 뒷받침되지 않는 기가바이트를 할당할 수 있는 이유. page와 주소 변환을 이해하는 것은 TLB, page fault, thrashing이라는 더 깊은 주제로 들어가는 입구다.

착각이 작동하는 방식

가상 메모리가 존재하는 이유

왜 중요한가

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