가상 메모리(Virtual Memory)

개요

가상 메모리(Virtual Memory)는 실제 물리적 메모리(RAM)의 용량을 초과하는 프로그램 실행을 가능하게 해주는 운영체제의 핵심 메모리 관리 기술입니다. 하드디스크의 일부 공간을 마치 주기억장치처럼 활용함으로써, 다중 프로그램 실행, 메모리 보호, 프로세스 간 격리 등 다양한 이점을 제공합니다. 본 글에서는 가상 메모리의 개념, 동작 방식, 구성 요소, 실무 활용 사례, 장단점 등을 체계적으로 설명합니다.

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1. 개념 및 정의

가상 메모리는 물리 메모리를 추상화하여, 각 프로세스가 독립된 주소 공간을 사용하는 것처럼 보이게 하는 메커니즘입니다. 이는 CPU가 직접 사용하는 **가상 주소(Virtual Address)**와 실제 메모리 주소인 물리 주소(Physical Address) 간의 매핑을 통해 구현되며, 메모리 보호와 프로세스 간 간섭 방지에도 기여합니다.

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2. 동작 원리

구성 요소	설명	예시
가상 주소 공간	각 프로세스에 제공되는 논리적 주소 공간	32bit: 4GB, 64bit: 16EB
페이지(Page)	가상 메모리를 일정 크기로 나눈 단위	보통 4KB 크기
페이지 테이블	가상 주소와 물리 주소 간 매핑 정보 저장	프로세스별 생성됨
스왑 공간(Swap Space)	하드디스크의 일부를 메모리처럼 사용	리눅스: swap, 윈도우: pagefile.sys

운영체제는 가상 주소를 페이지 단위로 관리하며, 필요한 경우에만 물리 메모리에 적재하는 지연 적재(Demand Paging) 방식으로 효율성을 극대화합니다.

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3. 가상 메모리 관리 기법

기법	설명	장점
페이징(Paging)	고정 크기의 페이지로 메모리 관리	단편화 감소, 주소 변환 간단
세그멘테이션(Segmentation)	코드, 데이터, 스택 등 논리적 단위 분리	의미 기반 메모리 보호 가능
혼합 기법	페이징과 세그멘테이션을 함께 사용	유연성 향상, 하드웨어 지원 필요

현대 운영체제는 대부분 페이징 기반 가상 메모리를 채택하고 있으며, TLB(Translation Lookaside Buffer)로 성능을 보완합니다.

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4. 페이지 부재(Page Fault)와 교체

항목	설명	예시
페이지 부재(Page Fault)	필요한 페이지가 메모리에 없을 때 발생	디스크에서 페이지 불러옴
페이지 교체 알고리즘	기존 페이지를 제거하고 새 페이지 삽입	LRU, FIFO, CLOCK 등
스와핑(Swapping)	전체 프로세스를 디스크로 내리고 복귀	시스템 부하 시 일시 해제 처리

과도한 페이지 부재가 발생하면 시스템 성능이 저하되는 스래싱(Thrashing) 현상이 발생할 수 있습니다.

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5. 장점 및 단점

구분	장점	단점
장점	메모리 효율적 사용, 다중 작업 지원, 프로세스 격리, 보안성 강화	—
단점	디스크 접근 지연, 스래싱 가능성, 관리 복잡성	물리 메모리보다 속도 낮음

충분한 RAM과 효율적인 페이지 교체 알고리즘을 통해 단점을 최소화할 수 있습니다.

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6. 실무 적용 사례

분야	적용 사례	고려사항
서버 시스템	다중 사용자 환경에서 안정적 운영	Swap 크기, TLB 설정 조정 필요
모바일 OS	앱 백그라운드 유지, 전환 속도 확보	제한된 리소스 환경에서 스와핑 최소화
데스크탑 환경	다중 앱 실행 시 성능 유지	SSD 기반 스왑 영역 성능 향상 가능
클라우드 가상화	가상 머신 간 메모리 격리	하이퍼바이저의 메모리 오버커밋 기술 활용

가상 메모리는 하드웨어와 운영체제가 함께 구현해야 하는 복합 기술입니다.

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7. 결론

가상 메모리는 현대 운영체제의 핵심 기능 중 하나로, 제한된 물리 메모리를 효율적으로 활용하고, 안정적인 다중 프로세스 운영을 가능하게 합니다. 페이징, 스와핑, 페이지 교체 알고리즘 등 다양한 기법을 통해 구현되며, 시스템 자원의 효율성과 보안성을 동시에 향상시킬 수 있습니다. 성능과 신뢰성을 모두 고려한 가상 메모리 설계는 고성능 컴퓨팅과 클라우드 환경에서 더욱 중요해지고 있습니다.