[Daily morning study] 스왑 메모리(Swap)와 스래싱(Thrashing)
#daily morning study
스왑 메모리(Swap)란?
물리 RAM이 부족할 때 OS가 디스크의 일부 공간을 마치 RAM처럼 활용하는 기법이다. Linux에서는 swap 파티션 또는 swap 파일 형태로 존재한다.
프로세스가 더 많은 메모리를 요구할 때, OS의 메모리 관리자는 현재 사용되지 않는 페이지(page)를 디스크의 스왑 공간으로 내보내고(swap out), 나중에 필요할 때 다시 RAM으로 불러온다(swap in).
스왑 작동 순서:
- 프로세스가 특정 페이지를 요청
- 해당 페이지가 RAM에 없음 → 페이지 폴트(Page Fault) 발생
- OS가 디스크 스왑 영역에서 해당 페이지를 찾아 RAM으로 로드 (swap in)
- RAM이 가득 찬 경우, 덜 사용되는 페이지를 디스크로 이동 (swap out)
스왑의 장단점
| 구분 | 내용 |
|---|---|
| 장점 | RAM보다 넓은 가상 메모리 주소 공간 제공 가능 |
| 장점 | 메모리 부족 시 프로세스 강제 종료(OOM Kill) 방지 |
| 단점 | 디스크 I/O 발생 → RAM 대비 수백~수천 배 느림 |
| 단점 | 잦은 swap in/out → 스래싱(Thrashing) 유발 위험 |
접근 속도 비교: RAM(ns 단위) → SSD(μs 단위) → HDD(ms 단위). 스왑을 많이 쓸수록 체감 성능이 급격히 떨어지는 이유다.
스래싱(Thrashing)이란?
프로세스들이 실제 유용한 작업보다 페이지 교체(swap in/out)에 더 많은 시간을 소비하는 상태를 말한다.
발생 원인:
동시에 실행 중인 프로세스 수가 너무 많아 각 프로세스에 할당되는 실제 프레임(frame) 수가 부족해진다. 각 프로세스의 워킹 셋(Working Set) — 현재 활발히 참조 중인 페이지 집합 — 의 합계가 가용 RAM을 초과하면 스래싱이 시작된다.
총 워킹 셋 크기 > 물리 RAM 크기
→ 페이지 폴트 연쇄 발생
→ CPU 이용률 급감, 디스크 I/O 폭증
스래싱 악순환 구조:
멀티프로세스 수 증가
↓
각 프로세스 할당 프레임 수 감소
↓
페이지 폴트 빈도 급증
↓
CPU는 페이지 교체만 처리 (실작업 X)
↓
CPU 이용률 급락
↓
OS가 "CPU 여유 있다" 판단 → 추가 프로세스 실행
↓
스래싱 심화 (악순환 반복)
스래싱 해결 방법
1. 워킹 셋 모델 (Working Set Model)
각 프로세스마다 최근 일정 시간 동안 참조한 페이지 집합(워킹 셋)을 추적한다. 워킹 셋 전체를 수용할 수 있는 프레임이 없으면 해당 프로세스를 일시 중단(suspend)시켜 다른 프로세스에게 프레임을 양보하게 만든다.
2. 페이지 폴트 빈도 제어 (Page Fault Frequency, PFF)
- PFF가 상한선 초과 → 해당 프로세스에 프레임 추가 할당
- PFF가 하한선 미만 → 프레임 회수
- 여유 프레임이 없으면 일부 프로세스를 스왑 아웃해 공간 확보
3. 멀티프로그래밍 정도 제한
동시 실행 프로세스 수를 물리 메모리 크기에 맞춰 제한한다. 프로세스를 무한정 늘리는 것보다 적절한 수를 유지하는 편이 전체 처리량(throughput)에 유리하다.
4. 메모리 증설 또는 프로세스 종료
근본적인 해결책이다. RAM을 추가하거나, OOM Killer를 통해 불필요한 프로세스를 종료해 여유 공간을 확보한다.
Swap 관련 Linux 명령어
# 현재 스왑 사용 현황 확인
free -h
swapon --show
# 스왑 파일 생성 (1GB 예시)
sudo fallocate -l 1G /swapfile
sudo chmod 600 /swapfile
sudo mkswap /swapfile
sudo swapon /swapfile
# swappiness 현재 값 확인 (0~100)
cat /proc/sys/vm/swappiness
# swappiness 임시 변경 (재부팅 시 초기화)
sudo sysctl vm.swappiness=10
swappiness 커널 파라미터는 OS가 스왑을 얼마나 적극적으로 사용할지 결정한다.
| 값 | 의미 |
|---|---|
| 0 | RAM이 거의 꽉 찰 때까지 스왑 최소화 |
| 10 | 데이터베이스 서버 등 성능 민감 환경 권장값 |
| 60 | Ubuntu/Debian 기본값 |
| 100 | 매우 적극적으로 스왑 사용 |
핵심 정리
| 개념 | 설명 |
|---|---|
| Swap | RAM 부족 시 디스크를 임시 메모리로 활용하는 기법 |
| Swap Out | RAM의 페이지를 디스크 스왑 영역으로 이동 |
| Swap In | 디스크 스왑 영역의 페이지를 RAM으로 복귀 |
| Page Fault | 요청한 페이지가 RAM에 없을 때 발생하는 인터럽트 |
| 스래싱 | 페이지 교체 과부하로 CPU가 실작업을 못 하는 상태 |
| 워킹 셋 | 프로세스가 현재 활발히 참조하는 페이지 집합 |
| swappiness | 스왑 적극성을 조절하는 Linux 커널 파라미터 |
스왑은 메모리 부족 시 시스템이 버티게 해주는 안전망이지만, 지나치게 의존하면 성능이 급격히 저하된다. 특히 MySQL, PostgreSQL 같은 데이터베이스 서버에서는 swappiness를 낮게 설정하거나 스왑을 비활성화하는 경우가 많다.
