Study · 운영체제 · 페이지 폴트 · 메모리

페이지 폴트는 오류가 아니라 정상 동작이다

장면

잡아만 둔 메모리를 처음 건드리면 무엇이 일어날까? 그 일은 몇 번이나 일어날까?

$ /usr/bin/time -v ./a.out 2>&1 | grep -i "page faults"
  Minor (reclaiming a frame) page faults: 12345
# 이 수가 페이지를 붙인 횟수다. 잡아만 뒀을 때는 거의 0, 다 건드리면 확 는다

먼저 알아야 할 말

페이지: 메모리를 나누는 기본 단위다. 보통 4KB 이고, 커널은 메모리를 이 덩어리 단위로 다룬다.
페이지 폴트: 가상 주소에 닿았는데 물리 페이지가 아직 안 붙어 있을 때 일어나는 일이다. 커널이 그때 페이지를 붙여 준다 — 오류라는 이름이지만 정상 동작이다.
메모리: 전원이 꺼지면 사라지는 대신 아주 빠른 저장 공간이다. 프로그램이 도는 동안 쓰는 값은 전부 여기 있다.
신호: 커널이 프로세스에게 보내는 짧은 알림이다. SIGKILL 은 「지금 죽어라」이고 프로세스가 거절할 수 없다. SIGSEGV 는 「잘못된 주소를 건드렸다」다. 터미널에서 Ctrl+C 를 누르는 것도 신호 하나를 보내는 일이다.
커널: 컴퓨터가 켜져 있는 동안 늘 돌고 있는 프로그램 하나다. 파일을 만들고 지우는 일, 프로그램을 띄우는 일은 내 프로그램이 직접 못 하고 전부 커널에 부탁한다. 터미널에 친 명령이 실제로 무언가를 하는 순간은 늘 커널 안이다.
물리 메모리: 실제로 꽂혀 있는 RAM 이다.
시스템 콜: 프로그램이 커널에게 일을 시키는 창구다. 파일 열기 · 스레드 만들기처럼 커널만 할 수 있는 일은 전부 이 창구를 지난다. 자바의 FileInputStream 도 결국 이 창구를 부른다.
CPU: 명령을 실제로 실행하는 부품이다. x86(대부분의 PC) · ARM(휴대폰, 요즘 Mac)처럼 종류마다 알아듣는 명령이 다르다.
vma: 주소 몇 번부터 몇 번까지는 이 프로세스가 써도 된다고 커널이 적어 둔 한 줄이다. 달라고만 하고 아직 안 쓴 메모리는 이 줄만 있고 실제 메모리는 안 붙어 있다.
페이지 표: 가상 주소가 실제 메모리의 어디인지 적어 둔 표다. CPU 는 주소를 만질 때마다 이 표를 본다. 이 표의 자리가 비어 있으면 페이지 폴트가 난다.
RSS: 실제로 물리 메모리가 붙어 있는 양이다. VmRSS · anon-rss 도 같은 것을 가리킨다. 달라고만 한 양(VmSize)과는 다르다.
VmSize: 프로세스가 달라고 해서 잡아 둔 주소의 총량이다. 실제로 메모리가 붙어 있는 양(RSS)과 다르고, 보통 훨씬 크다.
스왑: 물리 메모리가 모자랄 때 잘 안 쓰는 페이지를 디스크로 옮겨 두는 것이다.
바이트: 컴퓨터가 다루는 가장 작은 덩어리 단위로, 0부터 255 사이의 숫자 하나다. 파일도, 네트워크로 오가는 글자도 결국 바이트의 나열이다. B는 바이트, KB는 약 1,000바이트, MB는 약 100만 바이트다. 「바이트가 도착했다」는 아직 글자로 읽기 전, 숫자 덩어리 상태로 도착했다는 뜻이다.
디스크: 전원을 꺼도 내용이 남는 저장 장치다. 대신 메모리보다 훨씬 느리다.
가상 메모리: 프로세스가 보는 주소다. 실제 물리 메모리 주소와 다르고, 커널이 둘을 이어 준다. 그래서 -Xmx4g 로 잡아도 그 순간 물리 메모리를 4GB 쓰지는 않는다.

아래 재생기의 ▶를 누르면 한 스텝씩 진행된다. 금색 테두리가 지금 이야기하는 곳이고, 캡션이 무슨 일이 일어났는지 말해 준다. 굵게 밑줄 친 말은 누르면 뜻이 나온다. 빨간 딱지는 그때 벌어지는 일의 이름이고, 캡션 바로 위 회색 글자는 지금 스텝이 속한 묶음의 이름이다.

카드 아래 회색 줄은 그 일이 실제로 적혀 있는 소스의 파일 이름 : 줄 번호와 함수 이름이다. 글 안에 (:669)처럼 줄 번호만 적힌 것은 바로 앞에 적은 파일의 그 줄이라는 뜻이다. 캡션 한가운데 박힌 긴 영어 이름과 괄호 속 파일 · 줄 번호도 같다 — 건너뛰고 한글만 읽어도 뜻이 통하게 써 두었다.

장면 · 닿는 순간에 붙는다 0 / 12

▶ 를 누르면 앞 항목에서 잡아만 둔 32칸을 처음 건드릴 때 무슨 일이 일어나는지 본다. 페이지 폴트는 프로그램이 부르는 것이 아니라 CPU 가 올리는 신호다. minor 폴트는 디스크에 가지 않고 끝난 폴트를 말한다.

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페이지 폴트는 오류가 아니라 「지금 붙여 달라」는 신호다. 닿는 순간 커널이 페이지를 붙이고, 그때 비로소 물리 메모리가 준다.

어떻게 확인했나

소스 어디를 보고 적었는지와 무엇을 돌려서 쟀는지를 남긴 자리다. 처음 읽을 때는 건너뛰어도 된다.

폴트는 시스템 콜이 아니라 하드웨어 예외로 들어온다 — exc_page_fault(arch/x86/mm/fault.c:1492) → handle_page_fault(:1471) → do_user_addr_fault(:1216). 커널이 맨 먼저 하는 것은 lock_mm_and_find_vma(:1366)로 그 주소를 덮는 vma 를 찾는 일이고, 못 찾으면 거기서 SIGSEGV 다.
붙이는 차례는 handle_mm_fault(mm/memory.c:6841) → handle_pte_fault(:6514) → do_pte_missing(:6557 에서 부르고, 정의는 :4695) → do_anonymous_page(:5427, 가르는 줄은 :4697) 다. 실제로 페이지를 받아 오는 줄이 alloc_anon_folio(:5482), 페이지 표에 적는 줄이 map_anon_folio_pte_pf(:5519).
VmRSS 가 느는 자리는 map_anon_folio_pte_pf 안의 add_mm_counter(mm, MM_ANONPAGES, ...)(mm/memory.c:5417) 하나다. mmap 경로에는 이 줄이 없다 — 12번 항목의 VmSize 와 갈리는 지점이 여기다.
읽기로 처음 닿으면 물리 페이지를 아예 안 준다 — 0 으로 채워진 공용 페이지를 가리키게만 하고 끝낸다(mm/memory.c:5447-5450). 내 페이지가 붙는 것은 쓰기일 때뿐이다.
minor · major 를 가르는 줄은 mm_account_fault(mm/memory.c:6725)의 major = (ret & VM_FAULT_MAJOR) || (flags & FAULT_FLAG_TRIED)(:6757)다. VM_FAULT_MAJOR 가 서는 곳은 스왑에서 읽어 올 때(do_swap_page, :4988)이고, 그때 maj_flt(:6760), 아니면 min_flt(:6762) 가 오른다.
같은 1GB 를 페이지마다 한 바이트씩 건드리니 VmRSS 가 1,049,856 kB 가 됐다. /usr/bin/time 이 찍는 minor 폴트는 잡기만 했을 때 76번, 전부 건드렸을 때 262,219번이었다 — 1GB ÷ 4KB = 262,144 와 거의 같다. major 폴트는 둘 다 0 이었다. 디스크에서 읽어 올 것이 없는 익명 메모리라 그렇다.

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