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들어가기 앞서 Paging과 Segmetation을 살펴보기 전 메모리에 대한 기능적 정의가 필요

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메모리

메인 메모리

가상 메모리

┌────────────────────────────ㅡㅡ┐
│        메모리 전체 구조         │
├────────────────────────────ㅡㅡ┤
│  * 물리 메모리 (Physical)       │
│  ├─ 실제 RAM 칩                 │
│  └─ 디스크(Swap) 일부 사용      │
├────────────────────────────ㅡㅡ┤
│ *  논리 메모리 (Logical)        │
│  ├─ 가상 메모리(Virtual Memory) │
│  │    ├─ 코드(Code)            │
│  │    ├─ 데이터(Data)          │
│  │    ├─ 힙(Heap)              │ 
│  │    └─ 스택(Stack)           │
└───────────────────────────ㅡㅡ─┘


정리
----
가상 주소 공간
- 하나의 프로세스가 메모리 저장되는 "논리적 모습"

가상 주소
- 가상 주소 공간을 가르키는 주소

MMU
- 가상 주소를 사용하여 실제 물리 메모리의 주소로 변환

CPU
- 변환된 물리 주소를 이용해 RAM에 접근 -> 데이터를 읽거나 명령을 수행

동작 구조
---------
1. 페이지 테이블 등록 안 된 경우
CPU -> 가상 주소 0x1234 접근
   ↓
MMU -> 페이지 테이블 확인 -> 물리 주소 정보 없음 //페이지 테이블은 RAM에 존재
   ↓
Page Fault 발생
   ↓
운영체제(OS)가 디스크에서 해당 페이지를 읽어 RAM(ex. 0xA320)에 적재
   ↓
페이지 테이블 갱신 : [0x1234 -> 0xA3210]
   ↓
CPU 명령 재실행 -> 변환 성공

2. 페이지 테이블 등록된 경우
CPU -> 가상 주소 0x1234 등록
   ↓
MMU -> 페이지 테이블 조회 -> 물리 주소 0xA320 찾음
   ↓
즉시 RAM 접근 -> 데이터 읽기/쓰기 성공
--------------------------------------------------------------------
=>
"2번"이 동작이 되려면 1번의 "1번"이 동작이 되어서 "페이지 폴트 -> OS가 디스크에 페이지를 RAM으로 적재" 과정이 필요

메모리(RAM) 구조
---------------
┌────────────────────────────────────┐
│        커널 영역 (Kernel Space)     │ ← OS 관리, 사용자 접근 불가
│   ├─ 페이지 테이블(Page Tables)     │ 
│   ├─ 커널 코드/데이터 구조 등        │
│   └─ 시스템 버퍼/캐시 등            │
├────────────────────────────────────┤
│        사용자 영역 (User Space)     │ ← 프로세스별로 독립된 가상 메모리 공간
│   ├─ 코드(Code/Text)                │
│   ├─ 데이터(Data)                   │
│   ├─ 힙(Heap)                       │
│   ├─ 스택(Stack)                    │
└────────────────────────────────────┘

+
추가 내용
---------
새로운 프로레스가 생성되면 OS는 그 프로세스용으로 가상 주소 공간만 논리적으로 할당
이 시점에는 RAM에는 실제 데이터가 거의 없음
그래서 CPU가 가상 주소를 읽으면 RAM에 물리 메모리가 매핑되지 않아 PAGE FAULT가 발생하고 이 과정에서 가상 주소 <-> 물리 주소를 할당해주는게 MMU임
그리고 만약 RAM이 꽉 차면 Swapping 과정을 진행하는데 이는 다음 페이지에 설명

가상 메모리 필요 이유

물리 메모리의 한계 극복
	- 실제 RAM 용량보다 휠씬 큰 프로그램을 실행할 수 있음

멀티태스킹 효율 증대
	- 프로그램의 모든 부분을 RAM에 올리는 대신, "지금 필요한 부분(핵심)"만 올리고 나머지는
		디스크(Swap 영역)에 보관. 이로써 한정된 RAM으로 더 많은 프로세스를 동시에 실행 가능

메모리 보호
	- 각 프로세스는 자신만의 가상 주소 공간에 완벽히 격리
	- 이로써 한 프로세스의 오류가 다른 프로세스의 메모리를 침범하는 것을 원천적으로 차단

호율적인 프로세스 생성
	- 새로운 프로세스를 만들 때, 부모 프로세스의 메모리 전체를 복사하는 대신 "페이지 테이블"
		이라는 주소록만 복사, 이로써 CoW하여 프로세스 생성 속도를 크게 향상
+
여기서 CoW(Copy-on-Write) 동작
	1. 프로세스 A와 B가 "같은 가장주소 범위"를 갖더라도, 실제로 그 VA가 가리키는
		 물리 프레임(PFN(Page Frame Number))임.
	2. CoW는 처음엔 둘이 같은 PFN을 가리키게 해서 공유하고
	3. 누가 쓰려고 하면 PFN의 내용을 새 프레임으로 복사.

가상 메모리 장점