[운영체제] 페이지 교체 알고리즘

페이지 교체 알고리즘

페이징 기법

모든 페이지 프레임이 사용되고 있을 때 새로 적재되어야 할 페이지를 위해 적절한 교체 대상을 결정

교체 대상 선택

1. 최적화의 원칙
   
   • 앞으로 가장 오랫동안 사용되지 않을 페이지를 교체 대상으로 선택
     
   • 이론적으로 최적이나 미래를 예측할 수 없어 실현 불가능
     
     
2. 선택을 위한 기본 정책
   
   • 대체로 좋은 결론을 내리변서 선택을 위한 시간 및 공간 오버헤드가 적은 방법
     
     
3. 교체 제외 페이지
   
   • 페이징을 위한 커널 코드 영역
     
   • 보조기억장치 드라이버 영역
     
   • 시간을 맞춰 동작해야 하는 코드 영역
     
   • 입출력장치를 위한 데이터 버퍼 영역 등
     
     

페이지 교체 알고리즘

1. FIFO 페이지 교체
   
   • 메모리 내에 가장 오래 있었던 페이지를 선택하여 교체
     
   • 구현 : FIFO 큐 이용
     
   • 단점
     
     • 가장 많이 쓰이는 페이지를 교체시킬 가능성 있음
       
     • Belady의 이상현상
       
       • 프로세스에 더 많은 수의 페이지 프레임을 할당하면 오히려 페이지 부재가 더 많이 발생할 수 있는 현상
         
         
2. LRU 페이지 교체
   
   • 메모리 내에서 가장 오랫동안 사용되지 않은 페이지를 선택하여 교체
     
   • 국부성 휴리스틱에 기반
     
     • 최근의 상황이 가까운 미래에 대한 좋은 척도
       
     • 시간 국부성, 공간 국부성
       
     • 구현 : 참조리스트 또는 리스트 이용
       
       

     1) 참조시각을 이용한 구현
     - 각 페이지가 참조될 때마다 그때의 시각을 테이블에 기록
     - 교체가 필요한 경우 참조시각이 가장 오래된 페이지를 선택하여 교체
     
     

     2) LRU - 리스트를 이용한 구현
     - 각 페이지가 참조될 때마다 리스트의 선두로 옮김
     - 교체가 필요한 경우 리스트의 끝에 있는 페이지를 선택하여 교체
     
     

   • 장점
     
     • Belady의 이상현상 발생하지 않음
       
     • 많은 경우 최적화 원칙에 근사한 선택 가능
       
       
   • 단점
     
     • 국부성이 맞지 않는 상황도 존재
       
     • 막대한 오버헤드
       
       
3. LFU 페이지 교체
   
   • 메모리 내에서 참조된 횟수가 가장 적은 페이지를 선택하여 교체
     
   • 구현 : 참조횟수 이용
     
   • 단점
     
     • 가장 최근에 메모리로 옮겨진 페이지가 교체될 가능성
       
     • 초기에 매우 많이 사용된 후 더이상 사용되지 않는 페이지는 교체 가능성 낮음
       
     • 막대한 오버 헤드
       
       
4. 2차 기회 페이지 교체
   
   • 참조 비트가 0이면서 메모리 내에 가장 오래 있었던 페이지를 선택하여 교체
     
   • 구현 : FIFO 큐와 참조 비트 이용
     
     • 각 페이지가 메모리에 적재될 때는 참조 비트 0
       
     • 적재된 상태에서 추가로 참조되면 참조 비트 1
       
       

   1) 참조할 페이지가 메모리에 없는경우
   - 빈 페이지 프레임이 있으면
   - 페이지 적재, 큐에 추가, 참조 비트는 0으로 설정
   
   

    - 빈 페이지 프레임이 없으면<br>
        - 큐의 선두 항목을 꺼내 참조 비트 조사<br>
        - 1이면 0으로 바꿔 큐의 뒤에 추가 후 앞단계로 이동<br>
        - 0이면 교체 대상으로 선택하여 교체<br><br>
   

   2) 참조할 페이지가 메모리에 있는 경우
   - 큐 위치 변화 없이 참조 비트만 1로 설정
   
   

   • 변형된 원형 큐를 이용한 구현 (클럭 페이지 교체 알고리즘)
     
     • 포인터는 마지막에 추가된 페이지를 다음 위치를 가리킴
       
       • 빈 페이지 프레임이 있는 경우 : 빈칸
         
       • 페이지 프레임이 꽉 찬 경우 : 큐의 선두
         
         

프로세스별 페이지 집합관리

• 프로세스마다 사용할 수 있는 페이지 프레임의 개수만큼 메모리에 유지되는 페이지 집합
  
• 집합의 크기가 작을수록 처리량 증가
  
  • 각 프로세스별 페이지 부재는 자주 발생하여 성능 저하
    
• 집합의 크기가 클수록 프로세스별 페이지 부재는 감소
  
  • 메모리에 적재될 수 있는 프로세스 수는 줄어듦
    
• 각 프로세스가 사용할 수 있는 페이지 프레임 개수 관리
  
  • 워킹 세트 알고리즘, PFF 알고리즘
    
    

워킹 세트 알고리즘

• 페이지 부재비율을 감소시키기 위해 Denning이 제안한 모델
  
• 프로세스의 워킹세트 W(t,w)
  
  • 시각 t에 t를 포함한 직전 w시간동안 참조한 페이지의 집합
    
• 프로세스가 수행됨에 따라 그 프로세스의 워킹 세트는 변할 수 있으며 워킹 세트의 크기도 달라질 수 있음
  
• 워킹 세트 알고리즘의 원칙
  
  • 프로세스의 워킹 세트를 메모리에 유지시키는 것
    
• 워킹 세트를 메모리에 유지하지 않으면 쓰래싱 유발 가능
  
  • 쓰래싱 : 페이징 부재가 비정상적으로 많이 발생하여 프로세스 처리보다 페이지 교체처리에 너무 많은 시간을 소비하여 시스템의 처리량이 급감하는 현상
    
• 프로세스마다 워킹 세트 크기에 맞게 페이지 프레임 개수 조절
  
• 충분한 여분의 페이지 프레임이 존대
  
  • 실행 프로세스 수 늘림
    
• 실행 중인 프로세스들의 워킹세트 크기의 합이 총페이지 프레임 수를 넘어섬
  
  • 우선순위가 낮은 프로세스를 일시 중지
    
    
• 문제점
  
  • 과거를 통해 미래를 예측하는 것이 정확하지 않음
    
  • 워킹 세트를 정확히 알아내고 계속 업데이트하는 것이 현실적으로 어려움
    
  • 워킹 세트 윈도 크기 w의 최적값을 알기 어려우며 이 역시 변화할 수 있음
    
    

### PFF 알고리즘

• 페이지 부재 빈도(PFF)를 이용하여 프로세스별 페이지 집합의 크기를 변화시키는 기법
  
• PFF
  
  • 얼마나 자주 페이지 교체가 발생하는지를 나타내는 척도
    
  • 페이지 부재가 발생하면 직전 페이지 부재 이후로 경과한 시간의 역수
    
  • PFF의 상한과 하한을 정해 둠
    
  • PFF가 상한보다 높으면 페이지 프레임 개수를 1 증가
    
  • PFF가 하한보다 낮으면 그 사이에 참조되지 않았던 페이지를 모두 제거