Pintos 가상 메모리(VM) 심층 이해: 스레드, 페이지 테이블, Demand Paging의 모든 것

핵심 기술: 이 글은 Pintos 운영체제 커널 개발 과정에서 마주치는 가상 메모리(VM)의 복잡성을 해소하고, 스레드 구조, 물리 메모리와 커널/유저 영역의 매핑, 그리고 Demand Paging의 구현 원리를 심층적으로 설명합니다.

기술적 세부사항:

• 스레드(Thread)의 존재와 관리:

  • 스레드는 thread_create() 함수를 통해 커널 모드에서 생성되며, palloc_get_page()를 통해 4KB의 커널 풀 공간을 할당받습니다.
  • 할당된 메모리에는 intr_frame 구조체가 포함되어 시작 주소와 인자 등이 저장됩니다.
  • 스레드의 상태(실행 위치 등)는 컨텍스트 스위칭 시 레지스터 정보와 함께 커널 스택에 저장되며, 이는 rsp 포인터가 가리킵니다.
  • 메모리 할당은 palloc_get_page() 함수가 담당하며, 사용자 풀(User Pool)과 커널 풀(Kernel Pool)로 나뉘어 물리 메모리 영역을 다르게 사용합니다.
  • 커널 영역은 물리 메모리와 1:1로 매핑되며, 이는 palloc_get_page()가 물리 메모리 공간을 할당받는 방식과 관련됩니다.

• 물리 메모리와 가상 메모리 매핑:

  • 커널 영역은 물리 메모리와 1:1로 매핑되어 있으며, 이는 base_mem과 ext_mem을 기준으로 나뉩니다.
  • 사용자 영역의 메모리는 물리 메모리에 매핑되며, 이는 Page Table(PML4)을 통해 관리됩니다.
  • install_page() 함수는 가상 주소(VA)를 물리 메모리(PA)에 매핑하는 역할을 합니다.
  • 프로세스 실행 시(process_exec → load → load_segment), User Pool에서 메모리를 할당받아 PML4에 매핑하여 주소 변환이 가능하게 합니다.
  • 커널 가상 주소는 KERNEL_BASE를 기준으로 하며, KERNEL_BASE를 빼면 실제 물리 주소를 유추할 수 있습니다.

• Demand Paging:

  • Project 2까지는 메모리 할당 시점에 즉시 물리 메모리를 할당하고 PML4에 매핑했지만, 이는 메모리 낭비를 초래합니다.
  • Demand Paging은 필요한 부분만 필요할 때 물리 메모리에 로드하는 방식으로, 물리 메모리보다 큰 프로그램도 실행 가능하게 합니다.
  • Pintos에서는 이를 위해 SPT(Supplemental Page Table)를 사용하여 각 가상 페이지의 종류와 복원 방법을 관리합니다.
  • load_segment() 호출 시에는 SPT에 정보만 업데이트하고, 실제 메모리 접근 시 Page Fault 발생 후 vm_claim_page()를 통해 물리 메모리를 할당하고 PML4에 매핑하는 'Lazy Loading' 방식으로 구현됩니다.

• MMU(Memory Management Unit)의 역할:

  • MMU는 CPU의 VA를 PA로 변환하는 하드웨어로, Page Table(PML4)을 참조합니다.
  • VA에 해당하는 PA가 없으면 MMU는 Page Fault 예외를 발생시켜 커널 예외 핸들러로 진입시킵니다.
  • OS는 MMU의 빠른 변환을 위해 PML4를 효율적으로 관리해야 하며, Page Fault 발생 시 SPT를 참조하여 유효한 VA인지 확인 후 물리 메모리와의 매핑을 수행해야 합니다.

개발 임팩트: 이 글을 통해 Pintos 커널의 메모리 관리 복잡성을 명확히 이해하고, 효율적인 메모리 사용을 위한 Demand Paging 기법의 구현 원리를 학습할 수 있습니다. 이는 실제 운영체제 커널 개발 능력 향상에 직접적인 도움을 줄 것입니다.

커뮤니티 반응: (원문에 직접적인 커뮤니티 반응 언급은 없으나, Pintos 개발 과정에서 겪는 어려움과 해결책에 대한 공감대가 형성될 것으로 예상됩니다.)