페이지 (컴퓨터 메모리)

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1. 개요
2. 페이지 크기
- 2.1. 페이지 크기 결정 요인
- 2.2. 프로그래밍 방식
  - 2.2.1. 유닉스 및 POSIX 기반 운영 체제
  - 2.2.2. 윈도우 기반 운영 체제
3. 다양한 페이지 크기 지원
- 3.1. 대형 페이지 (Huge Pages / Superpages)
- 3.2. 아키텍처별 페이지 크기 지원 현황
참조

1. 개요

페이지(Page)는 컴퓨터 메모리 관리 기법의 일종으로, 프로세서 아키텍처에 따라 결정되는 페이지 크기를 가진다. 페이지 크기는 페이지 테이블 크기, TLB 사용, 내부 단편화, 디스크 접근, 그리고 프로그램의 메모리 사용 효율성에 영향을 미친다. 운영체제는 프로그램이 런타임에 페이지 크기를 알 수 있도록 지원하며, 유닉스 및 POSIX 기반 시스템에서는 `sysconf()` 함수, 윈도우 기반 시스템에서는 `GetSystemInfo()` 함수를 통해 확인할 수 있다. 일부 명령어 집합 구조는 표준 페이지 크기보다 큰 페이지를 지원하며, 이를 통해 TLB 캐시 부담을 줄이고 메모리 사용 효율을 높일 수 있다. 리눅스, 윈도우, Solaris, FreeBSD 등 다양한 운영 체제에서 대형 페이지를 지원하며, 한국의 IT 환경에서도 고성능 컴퓨팅, 데이터 센터, 클라우드 서비스 등에서 활용될 수 있다.

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페이지 (컴퓨터 메모리)
개요
종류	고정 크기 연속 가상 메모리 블록
페이지 크기	일반적으로 512바이트에서 8192바이트(8KB) 사이
사용	메모리 페이징
설명
페이지	가상 메모리의 고정 크기 블록
페이지 프레임	실제 메모리의 고정 크기 블록, 페이지와 동일한 크기
역할	가상 주소 공간을 물리적 메모리에 매핑하는 데 사용됨 운영 체제가 메모리를 효율적으로 관리하고 프로세스 간의 메모리 격리를 제공하는 데 도움
작동 방식	프로세스가 메모리에 접근하려고 할 때, CPU는 가상 주소를 물리적 주소로 변환 가상 주소는 페이지 번호와 페이지 오프셋으로 나뉨 페이지 번호는 페이지 테이블의 인덱스로 사용되어 해당 페이지 프레임의 물리적 주소를 찾음 페이지 오프셋은 페이지 프레임 내에서 원하는 위치를 나타냄
페이지 테이블	각 프로세스마다 페이지 테이블이 존재 가상 페이지를 실제 페이지 프레임에 매핑하는 데 사용됨 운영 체제가 페이지 테이블을 관리하며, 각 항목은 페이지 프레임의 물리적 주소 또는 페이지가 디스크에 저장되었음을 나타내는 플래그를 포함
장점	메모리 단편화를 줄임 가상 메모리를 효율적으로 관리 프로세스 간 메모리 보호 메모리 공유를 용이하게 함
단점	페이지 테이블 관리에 따른 오버헤드 발생 추가적인 메모리 필요 (페이지 테이블 저장)

2. 페이지 크기

페이지 크기는 일반적으로 프로세서 아키텍처에 의해 결정된다. 전통적으로 시스템의 페이지는 4,096 KiB (2¹² 바이트)와 같이 균일한 크기를 가졌다. 그러나 프로세서 설계는 종종 둘 이상의 페이지 크기(때로는 동시)를 허용하여 성능 향상을 꾀한다.^[6]

2. 1. 페이지 크기 결정 요인

페이지 크기는 페이지 테이블 크기, 변환 색인 버퍼 사용 효율성, 내부 단편화, 디스크 접근 속도 등 다양한 요인에 의해 결정된다.^[6] 각 요인의 장단점을 고려하여 최적의 페이지 크기를 선택해야 한다.

요인	설명
페이지 테이블 크기	페이지 크기가 작으면 더 많은 페이지가 필요하므로 페이지 테이블 크기가 커진다.
TLB 사용	페이지 크기가 크면 동일한 크기의 TLB 캐시로 더 많은 메모리를 관리할 수 있어 TLB 미스(miss)를 줄일 수 있다.
내부 단편화	프로세스가 사용하는 메모리가 페이지 크기의 배수가 아닐 경우, 마지막 페이지는 일부만 채워져 메모리 낭비(내부 단편화)가 발생한다. 페이지 크기가 작을수록 낭비되는 메모리가 줄어든다.
디스크 접근	회전 디스크에서 데이터를 전송할 때 탐색 시간으로 인해 지연이 발생한다. 큰 페이지를 사용하면 대용량 순차 전송이 가능하여 여러 번의 작은 전송보다 효율적이다.

2. 1. 1. 페이지 테이블 크기

페이지 크기는 일반적으로 프로세서 아키텍처에 의해 결정된다. 전통적으로 시스템의 페이지는 4,096 바이트와 같이 균일한 크기를 가졌다. 그러나 프로세서 설계는 종종 이점 때문에 둘 이상의 페이지 크기(때로는 동시)를 허용한다. 최적의 페이지 크기를 선택하는 데 고려할 수 있는 몇 가지 사항이 있다.^[6]

페이지 크기가 작은 시스템은 더 많은 페이지를 사용하므로 더 많은 공간을 차지하는 페이지 테이블이 필요하다. 예를 들어, 2³² 가상 주소 공간이 4 KiB (2¹² 바이트) 페이지에 매핑된 경우, 가상 페이지 수는 2²⁰ (2³² / 2¹²)이다. 그러나 페이지 크기가 32 KiB (2¹⁵ 바이트)로 증가하면 2¹⁷ 페이지만 필요하다. 다단계 페이징 알고리즘은 각 프로세스에 대한 큰 페이지 테이블을 할당하는 메모리 비용을 줄이기 위해 페이지 테이블을 더 작은 테이블로 더 세분화하여 페이지 테이블을 효과적으로 페이징할 수 있다.

2. 1. 2. TLB 사용

모든 메모리 접근은 가상 주소에서 물리 주소로 매핑되어야 하므로, 매번 페이지 테이블을 읽는 것은 비용이 많이 들 수 있다. 따라서 변환 색인 버퍼(TLB)라는 빠른 종류의 캐시가 자주 사용된다.^[6] TLB는 크기가 제한되어 있어, 특정 요청을 충족할 수 없는 경우(''TLB 미스'') 올바른 매핑을 위해 페이지 테이블을 수동으로 검색해야 한다(아키텍처에 따라 하드웨어 또는 소프트웨어에서). 페이지 크기가 클수록 동일한 크기의 TLB 캐시가 더 많은 양의 메모리를 추적할 수 있으므로, 비용이 많이 드는 TLB 미스를 방지할 수 있다.^[6]

2. 1. 3. 내부 단편화

프로세스가 정확한 수의 페이지를 사용하는 경우는 드물다. 결과적으로 마지막 페이지는 부분적으로만 채워질 가능성이 높으며, 이는 메모리 낭비로 이어진다. 페이지 크기가 클수록 더 많은 잠재적으로 사용되지 않는 메모리 부분이 주 메모리에 로드되므로 더 많은 양의 메모리가 낭비된다. 페이지 크기가 작을수록 할당에 필요한 실제 메모리 양에 더 가깝게 일치한다.^[6]

예를 들어, 페이지 크기가 10,240억라고 가정해 보자. 프로세스가 10,250억를 할당하는 경우 두 개의 페이지를 사용해야 하며, 이는 10,230억의 사용되지 않는 공간(한 페이지는 10,240억를 완전히 사용하고 다른 페이지는 10억만 사용)을 초래한다.

2. 1. 4. 디스크 접근

회전 디스크에서 데이터를 전송할 때, 지연 시간의 상당 부분은 탐색 시간(seek time), 즉 읽기/쓰기 헤드를 디스크 플래터 위에 정확하게 배치하는 데 걸리는 시간 때문에 발생한다.^[6] 이 때문에 대용량 순차 전송이 여러 개의 소규모 전송보다 효율적이다. 디스크에서 메모리로 동일한 양의 데이터를 전송하는 데에는 작은 페이지보다 큰 페이지를 사용하는 것이 시간이 덜 걸리는 경우가 많다.

2. 2. 프로그래밍 방식

대부분의 운영체제는 프로그램이 실행 시간에 페이지 크기를 알아낼 수 있도록 허용한다. 이를 통해 프로그램은 메모리 할당을 페이지 크기에 맞춰 정렬하고, 페이지 내부 단편화를 줄여 메모리를 보다 효율적으로 사용할 수 있다.^[7]^[8]^[9]^[10]^[11]^[12]^[13]^[14]^[15]^[16]

2. 2. 1. 유닉스 및 POSIX 기반 운영 체제

유닉스 및 POSIX 기반 시스템은 `sysconf()` 시스템 함수를 사용하여 페이지 크기를 확인할 수 있다.^[7]^[8]^[9]^[10]^[11] 다음은 C 프로그래밍 언어로 작성된 예제이다.

```c

#include

#include /* sysconf(3) */

int main(void)

{

printf("이 시스템의 페이지 크기는 %ld 바이트입니다.\n",

sysconf(_SC_PAGESIZE)); /* _SC_PAGE_SIZE도 괜찮습니다. */

return 0;

}

```

많은 유닉스 시스템에서 `getconf` 명령줄 유틸리티를 사용할 수 있다.^[12]^[13]^[14] 예를 들어, `getconf PAGESIZE`는 페이지 크기를 바이트 단위로 반환한다.

2. 2. 2. 윈도우 기반 운영 체제

Win32 기반 운영 체제, 예를 들어 Windows 9x 및 Windows NT 계열의 운영 체제는 `kernel32.dll`에서 제공되는 시스템 함수 `GetSystemInfo()`를^[15]^[16] 사용할 수 있다.

다음은 C 언어를 사용한 페이지 크기 확인 예제 코드이다.

```c

#include

#include

int main(void)

{

SYSTEM_INFO si;

GetSystemInfo(&si);

printf("이 시스템의 페이지 크기는 %u 바이트입니다.\n", si.dwPageSize);

return 0;

}

3. 다양한 페이지 크기 지원

일부 명령어 집합 구조는 표준 페이지 크기보다 훨씬 큰 페이지를 포함하여 여러 페이지 크기를 지원한다. 사용 가능한 페이지 크기는 명령어 집합 구조, 프로세서 유형 및 운영(주소 지정) 모드에 따라 다르다. 운영 체제는 아키텍처에서 지원하는 크기 중 하나 이상을 선택한다.^[17]

SGI IRIX는 여러 페이지 크기에 대한 범용 지원을 제공하며, 각 개별 프로세스는 힌트를 제공하고 운영 체제는 주어진 주소 공간 영역에 대해 가능한 가장 큰 페이지 크기를 자동으로 사용한다.^[28] 이후에는 선점 가능한 예약, 기회주의적 승격, 투기적 강등 및 조각화 제어를 통해 수정되지 않은 응용 프로그램에 대해 다양한 페이지 크기를 사용하는 투명한 운영 체제 지원이 제안되었다.^[29]

윈도우 2000 및 윈도우 XP는 내부적으로 큰 페이지를 지원하지만 응용 프로그램에는 노출하지 않는다.^[33] 윈도우에서 큰 페이지를 예약하려면 시스템 관리자가 사용자에게 해당 권한을 부여해야 하며, 큰 페이지는 스왑 아웃할 수 없다. Solaris는 버전 9부터 SPARC 및 x86에서 큰 페이지를 지원한다.^[34]^[35]

3. 1. 대형 페이지 (Huge Pages / Superpages)

일부 명령어 집합 구조는 표준 페이지 크기보다 훨씬 큰 페이지를 지원하며, 여러 페이지 크기를 사용할 수 있다. 운영 체제는 아키텍처에서 지원하는 크기 중 하나 이상을 선택한다. 이러한 큰 페이지들은 리눅스에서는 "거대한 페이지", FreeBSD에서는 "슈퍼페이지", 마이크로소프트 윈도우 및 IBM AIX에서는 "큰 페이지"라고 불린다.^[17] 대형 페이지를 사용하면 대규모 할당의 경우 TLB 캐시에 대한 부담을 줄여 성능을 향상시키고(최대 15%), 소규모 할당의 경우 메모리 사용량을 합리적인 수준으로 유지할 수 있다.

아키텍처별 페이지 크기^[17]
아키텍처	최소 페이지 크기	더 큰 페이지 크기
IA-32 (32비트 x86)^[18]	4KiB	PSE 모드에서 4MiB, PAE 모드에서 2MiB^[20]
x86-64^[18]	4KiB	2MiB, 1GiB (CPU에 `PDPE1GB` 플래그가 있는 경우)
IA-64 (Itanium)^[19]	4KiB	8KiB, 64KiB, 256KiB, 1MiB, 4MiB, 16MiB, 256MiB^[20]
Power ISA^[21]	4KiB	64KiB, 16MiB, 16GiB
SPARC v8 with SPARC Reference MMU^[22]	4KiB	256KiB, 16MiB
UltraSPARC 아키텍처 2007^[23]	8KiB	64KiB, 512KiB (선택 사항), 4MiB, 32MiB (선택 사항), 256MiB (선택 사항), 2GiB (선택 사항), 16GiB (선택 사항)
ARMv7^[24]	4KiB	64KiB, 1MiB ("섹션"), 16MiB ("슈퍼 섹션") (특정 구현에 따라 다름)
AArch64^[25]	4KiB	16KiB, 64KiB, 2MiB, 32MiB, 512MiB, 1GiB
RISCV32^[26]	4KiB	4MiB ("메가페이지")
RISCV64^[26]	4KiB	2MiB ("메가페이지"), 1GiB ("기가페이지"), 512GiB ("테라페이지", 43비트 이상의 주소 공간을 가진 CPU에만 해당), 256TiB ("페타페이지", 57비트 이상의 주소 공간을 가진 CPU에만 해당)

Pentium Pro부터 AMD Athlon 및 x86 프로세서는 표준 4KiB 페이지 외에도 4MiB 페이지(페이지 크기 확장)를 지원한다(PAE를 사용하는 경우 2MiB 페이지). AMD의 최신 AMD64 프로세서 및 Intel의 Westmere^[27] 및 이후의 Xeon 프로세서와 같은 최신 x86-64 프로세서는 long mode에서 1GiB 페이지를 지원한다.

리눅스는 2.6 시리즈부터 `hugetlbfs` 파일 시스템을 통해^[30], 2.6.38 이후 `hugetlbfs` 없이^[31] 여러 아키텍처에서 거대한 페이지를 지원한다. 윈도우 서버 2003 (SP1 이상), 윈도우 비스타 및 윈도우 서버 2008은 큰 페이지를 지원한다.^[32] FreeBSD 7.2-RELEASE는 슈퍼페이지를 지원한다.^[36] 최근까지 리눅스에서 거대한 페이지를 사용하려면 응용 프로그램을 수정해야 했지만, 2.6.38 커널부터는 투명한 거대한 페이지 사용을 지원하여, 응용 프로그램 수정 없이 자동으로 거대한 페이지를 활용할 수 있다.^[31]

3. 2. 아키텍처별 페이지 크기 지원 현황

일부 명령어 집합 구조는 표준 페이지 크기보다 훨씬 큰 페이지를 포함하여 여러 페이지 크기를 지원할 수 있다. 사용 가능한 페이지 크기는 명령어 집합 구조, 프로세서 유형 및 운영(주소 지정) 모드에 따라 다르다. 운영 체제는 아키텍처에서 지원하는 크기 중 하나 이상을 선택한다. 모든 프로세서가 정의된 모든 더 큰 페이지 크기를 구현하는 것은 아니다. 이러한 더 큰 페이지에 대한 지원(리눅스에서는 "거대한 페이지", FreeBSD에서는 "슈퍼페이지", 마이크로소프트 윈도우 및 IBM AIX 용어에서는 "큰 페이지"라고 함)은 "두 가지 장점 모두를 얻을 수" 있게 하여, 대규모 할당의 경우 TLB 캐시에 대한 부담을 줄이면서(때로는 속도를 최대 15%까지 증가시킴) 소규모 할당의 경우 합리적인 수준의 메모리 사용량을 유지한다.^[17]

아키텍처 간의 페이지 크기
아키텍처	최소 페이지 크기	더 큰 페이지 크기
IA-32 (32비트 x86)^[18]	4KiB	PSE 모드에서 4MiB, PAE 모드에서 2MiB^[20]
x86-64^[18]	4KiB	2MiB, 1GiB (CPU에 `PDPE1GB` 플래그가 있는 경우에만)
IA-64 (Itanium)^[19]	4KiB	8KiB, 64KiB, 256KiB, 1MiB, 4MiB, 16MiB, 256MiB^[20]
Power ISA^[21]	4KiB	64KiB, 16MiB, 16GiB
SPARC v8 with SPARC Reference MMU^[22]	4KiB	256KiB, 16MiB
UltraSPARC 아키텍처 2007^[23]	8KiB	64KiB, 512KiB (선택 사항), 4MiB, 32MiB (선택 사항), 256MiB (선택 사항), 2GiB (선택 사항), 16GiB (선택 사항)
ARMv7^[24]	4KiB	64KiB, 1MiB ("섹션"), 16MiB ("슈퍼 섹션") (특정 구현에 의해 정의됨)
AArch64^[25]	4KiB	16KiB, 64KiB, 2MiB, 32MiB, 512MiB, 1GiB
RISCV32^[26]	4KiB	4MiB ("메가페이지")
RISCV64^[26]	4KiB	2MiB ("메가페이지"), 1GiB ("기가페이지"), 512GiB ("테라페이지", 43비트 이상의 주소 공간을 가진 CPU에만 해당), 256TiB ("페타페이지", 57비트 이상의 주소 공간을 가진 CPU에만 해당)

참조

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_[2] 웹사이트 Operating Systems Lecture Notes, Lecture 9. Introduction to Paging http://people.csail.[...] 1998-08-22
_[3] 웹사이트 Virtual Memory: pages and page frames http://blog.cs.miami[...] 2012-10-31
_[4] Citation Encyclopedia of computer science and technology https://books.google[...] CRC Press
_[5] 웹사이트 RFC-11 https://write.as/365[...] 2019-01-11
_[6] conference Using 4KB Page Size for Virtual Memory is Obsolete 2009-08-10
_[7] man
_[8] man
_[9] man
_[10] man
_[11] man
_[12] man
_[13] man
_[14] man
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_[16] 웹사이트 SYSTEM_INFO structure http://msdn.microsof[...] Microsoft 2022-09-23
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_[19] 웹사이트 Intel Itanium Architecture Software Developer's Manual Volume 2: System Architecture http://www.intel.com[...] 2010-05
_[20] 웹사이트 Documentation/vm/hugetlbpage.txt https://www.kernel.o[...] kernel.org 2014-02-06
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_[39] 웹인용 Virtual Memory: pages and page frames http://blog.cs.miami[...] 2012-10-31

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