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#os #memory #segmentation

1. Segmentation 개념

Segmentation은 프로세스의 논리 주소 공간을 의미 단위의 가변 크기 영역(segment)으로 나누어 관리하는 메모리 관리 방식 의미. [1][2][3]

운영체제는 프로그램을 하나의 단순한 연속 배열로 보기보다,
Code, Data, Heap, Stack처럼 서로 다른 역할을 가진 영역의 집합으로 볼 수 있음.
Segmentation은 이런 관점을 그대로 주소 공간 관리에 반영한 방식. [1][2]

중요한 점은 프로세스 전체가 하나의 연속된 물리 메모리 공간에 놓일 필요는 없지만,
각 segment 자체는 일반적으로 연속된 물리 메모리 공간에 배치된다는 점. [1][3]

2. 논리 주소와 세그먼트 테이블

Segmentation에서 논리 주소는 보통 다음 두 부분으로 표현.

세그먼트 번호(Segment Number)
오프셋(Offset)

세그먼트 번호는 세그먼트 테이블(Segment Table)의 인덱스로 사용됨. [1][2][3]

일반적으로 세그먼트 테이블의 각 항목은 다음 정보를 가짐.

Base: 해당 segment가 시작하는 물리 주소
Limit / Length: 해당 segment의 길이
Protection 정보: 읽기 / 쓰기 / 실행 권한 등 [2][3]

주소 변환 과정은 다음과 같음.

CPU가 논리 주소 생성
논리 주소를 세그먼트 번호 + 오프셋으로 분리
세그먼트 번호로 세그먼트 테이블 조회
오프셋이 해당 segment의 길이(limit) 안에 있는지 검사
유효하면 Base + Offset으로 물리 주소 생성

3. Segmentation Fault와 보호

Segmentation에서는 세그먼트별 길이가 서로 다르므로,
하드웨어는 오프셋이 해당 segment 범위를 넘는지 검사해야 함. [1][3]

오프셋이 segment의 limit 이상이면 잘못된 주소 접근으로 판단되어 예외가 발생함.
운영체제 문맥에서는 이를 segmentation violation 또는 segmentation fault로 설명하는 경우가 많음. [3]

또한 segment마다 보호 비트를 둘 수 있으므로,
예를 들어 코드 영역에는 쓰기를 금지하는 식의 접근 권한 제어를 적용할 수 있음. [2]

4. Segmentation과 메모리 단편화

Segmentation은 segment 크기만큼 가변적으로 메모리를 할당하므로
paging처럼 고정 크기 블록 단위 때문에 생기는 내부 단편화는 거의 없거나 매우 작음. [4]

반면, 크기가 서로 다른 segment들이 적재되고 해제되는 과정이 반복되면
빈 공간이 잘게 나뉘어 외부 단편화(External Fragmentation)가 발생할 수 있음. [1][2][4]

즉,

내부 단편화: 거의 없거나 매우 작음 [4]
외부 단편화: 발생 가능 [1][2][4]

5. Paging과 차이

Segmentation과 Paging의 핵심 차이는 나누는 기준에 있음.

Paging: 같은 크기의 page 단위로 나눔 [1]
Segmentation: 의미 단위의 가변 크기 segment로 나눔 [1][2]

또한 단편화 측면에서도 차이가 있음.

Paging: 외부 단편화는 없거나 매우 크게 완화되지만 내부 단편화가 발생 가능 [1]
Segmentation: 내부 단편화는 거의 없지만 외부 단편화가 발생 가능 [1][4]

6. Paged Segmentation

Paged Segmentation은 segmentation을 기본으로 하되,
각 segment를 다시 page 단위로 나누어 관리하는 방식 의미. [5][6]

이 경우 논리 주소는 개념적으로 다음처럼 해석 가능.

세그먼트 번호
세그먼트 내부의 페이지 번호
페이지 내부 오프셋 [5][6]

이 방식은 segmentation의 논리적 보호와 공유 장점을 유지하면서,
segment를 다시 paging하므로 외부 단편화 문제를 줄이거나 피하는 데 도움을 줌. [2][5][6]

다만 주소 변환 구조가 더 복잡해지고,
segment table과 page table을 함께 사용해야 한다는 비용이 생김. [5][6]

핵심 정리

Segmentation

프로세스 주소 공간을 의미 단위의 가변 크기 segment로 나누는 방식

프로세스 전체는 비연속적으로 배치될 수 있지만, 각 segment 자체는 연속적으로 적재되는 것이 일반적

주소 변환

논리 주소는 세그먼트 번호와 오프셋으로 구성

세그먼트 테이블의 base와 limit를 이용해 물리 주소를 계산

단편화

내부 단편화는 거의 없거나 매우 작음

외부 단편화는 발생 가능

참고 자료

KOCW, 운영체제 강의자료
https://contents.kocw.or.kr/KOCW/document/2015/cup/weonsunghyun/7.pdf
University of Illinois Chicago, Operating Systems Notes, “Segmentation” / “Paging”
https://www.cs.uic.edu/~jbell/CourseNotes/OperatingSystems/8_MainMemory.html
University of Maryland, Computer Architecture Notes, “Virtual Memory II”
https://www.cs.umd.edu/users/meesh/411/CA-online/chapter/289/index.html
University of Wisconsin-Madison, CS 537 Notes, “Segmentation”
https://pages.cs.wisc.edu/~solomon/cs537-old/s07/segmentation.html
Gordon College, CS322 Memory Management, “Paged and Segmented Memory Organizations”
https://www.cs.gordon.edu/courses/cs322/lectures/memory.html
University of California, Davis, “Segmentation and Paging Combined”
https://nob.cs.ucdavis.edu/classes/ecs150-2008-02/handouts/memory/mm-segpag.html
UC Davis ECS 150 Memory Management Notes, “Paged Segmentation”
https://nob.cs.ucdavis.edu/classes/ecs150-2008-02/notes/memory.pdf