# 페이지 캐시

 캐시(Page Cache)는 운영체제가 디스크 I/O(입출력) 성능을 향상시키기 위해 사용하는 핵심 메커니즘 중 하나로, 자주 접근되는 파일 데이터를 메모리에 저장하여 반복적인 디스크 읽기 작업을 줄이는 기술입니다. 특히 리눅스와 같은 현대 운영체제에서 중요한 역할을 하며, 시스템 전반의 반응 속도와 처리 효율에 큰 영향을 미칩니다.

## 개요

디스크는 RAM(랜덤 액세스 메모리)에 비해 접근 속도가 수천 배에서 수십만 배 느리기 때문에, 운영체제는 디스크에서 읽은 데이터를 메모리에 캐시하여 향후 요청 시 빠르게 제공합니다. 이 캐시된 데이터의 단위는 일반적으로 **페이지**(page)이며, 일반적으로 x86 아키텍처 기준으로 4KB 크기를 가집니다. 이러한 메모리 기반의 캐시를 **페이지 캐시**라고 부릅니다.

페이지 캐시는 파일 시스템과 밀접하게 연동되며, 디스크에서 읽은 파일 데이터뿐만 아니라, 아직 디스크에 쓰이지 않은 수정된 데이터(**더티 페이지**, dirty page)도 포함될 수 있습니다.

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## 페이지 캐시의 작동 원리

### 1. 읽기 캐시 (Read Caching)

파일을 처음 읽을 때 운영체제는 디스크에서 데이터를 로드하고, 이를 메모리의 페이지 캐시에 저장합니다. 이후 동일한 파일의 동일한 부분을 다시 읽을 경우, 운영체제는 디스크를 다시 접근하지 않고 페이지 캐시에서 직접 데이터를 제공합니다.

예를 들어, 웹 서버가 자주 요청되는 정적 파일(예: `index.html`)을 제공할 때, 이 파일은 한 번 디스크에서 읽힌 후 페이지 캐시에 남아 있어 반복 요청 시 매우 빠르게 서비스됩니다.

### 2. 쓰기 캐시 (Write Caching)

데이터를 파일에 쓸 때도 페이지 캐시를 활용합니다. 사용자 프로그램이 파일을 쓰면, 운영체제는 먼저 해당 데이터를 페이지 캐시에 저장하고, 이를 "**더티 페이지**(dirty page)"로 표시합니다. 이후 백그라운드에서 이 더티 페이지를 디스크에 순차적으로 기록합니다.

이 방식은 다음과 같은 장점을 제공합니다:
- **성능 향상**: 즉각적인 디스크 쓰기를 회피하여 쓰기 지연을 줄임
- **순차 쓰기 최적화**: 여러 개의 작은 쓰기를 모아서 한 번에 큰 블록으로 기록
- **전력 효율**: 디스크 활성화 횟수를 줄여 전력 소모 감소

하지만 이로 인해 **데이터 무결성** 위험도 존재합니다. 시스템 충돌 시 더티 페이지가 디스크에 기록되지 않아 데이터 손실이 발생할 수 있습니다. 이를 방지하기 위해 `fsync()` 같은 시스템 콜을 사용하여 강제로 디스크에 기록하도록 할 수 있습니다.

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## 페이지 캐시와 버퍼 캐시의 차이

과거 운영체제에서는 **버퍼 캐시**(Buffer Cache)와 **페이지 캐시**(Page Cache)를 별도로 관리했습니다. 버퍼 캐시는 블록 장치의 원시 블록 데이터를 캐시하고, 페이지 캐시는 파일 데이터를 캐시하는 방식이었습니다.

하지만 현대 리눅스 커널(2.4 이후)에서는 이 두 개념이 통합되어 **统합 캐시**(Unified Page Cache)로 운영됩니다. 즉, 파일 시스템 레벨의 데이터도 블록 장치 데이터도 모두 페이지 캐시를 통해 관리됩니다. 이로 인해 메모리 사용 효율이 향상되고, 중복 캐싱을 방지할 수 있습니다.

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## 페이지 캐시의 관리

운영체제는 메모리가 부족해질 경우 페이지 캐시에서 일부 데이터를 제거하여 메모리를 확보합니다. 이 과정은 일반적으로 **LRU**(Least Recently Used) 또는 **2Q**, **Working Set** 기반 알고리즘으로 수행됩니다.

리눅스에서는 다음과 같은 방식으로 페이지 캐시를 모니터링하고 관리할 수 있습니다:

### 시스템 정보 확인 명령어
```bash
# 현재 메모리 사용 상태 확인 (페이지 캐시 포함)
free -h

# 상세한 캐시 정보 (버퍼, 캐시 등)
cat /proc/meminfo | grep -i cache
```

출력 예:
```
Cached:            4567892 kB
Buffers:            123456 kB
```

여기서 `Cached` 필드는 페이지 캐시의 크기를 나타냅니다.

### 페이지 캐시 비우기 (테스트 용도)
```bash
# 페이지 캐시, dentries, inodes 캐시 강제 정리
echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches
```

> ⚠️ 주의: 프로덕션 환경에서 이 명령어를 사용하면 성능이 급격히 저하될 수 있습니다.

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## 성능 최적화와 튜닝

페이지 캐시는 대부분 자동으로 최적화되지만, 다음과 같은 설정을 통해 조정할 수 있습니다:

- `/proc/sys/vm/vfs_cache_pressure`: 커널이 dentry와 inode 캐시를 얼마나 공격적으로 회수할지 결정
- `/proc/sys/vm/swappiness`: 메모리 부족 시 스와핑보다 페이지 캐시를 얼마나 유지할지 조절 (0~100, 기본값 60)

예:
```bash
# 페이지 캐시 유지 우선 (스와핑 줄임)
echo 10 > /proc/sys/vm/swappiness
```

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## 관련 개념

| 개념 | 설명 |
|------|------|
| **Page Fault** | 요청한 페이지가 메모리에 없을 때 발생하는 인터럽트. 페이지 캐시에 있으면 빠르게 해결됨 |
| **Dirty Page** | 메모리에 수정된 데이터가 있지만 디스크에 아직 기록되지 않은 페이지 |
| **Writeback** | 더티 페이지를 디스크에 기록하는 백그라운드 작업 |
| **Memory Mapping (mmap)** | 파일을 메모리에 매핑하여 페이지 캐시와 직접 접근 가능하게 함 |

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## 참고 자료

- [Linux Kernel Documentation - vm](https://www.kernel.org/doc/html/latest/admin-guide/sysctl/vm.html)
- [Understanding the Linux Kernel, 3rd Edition](https://www.oreilly.com/library/view/understanding-the-linux/0596005652/) - Daniel P. Bovet, Marco Cesati
- `man 5 proc` - `/proc/meminfo` 설명
- `man 2 fsync` - 파일 동기화 시스템 콜

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페이지 캐시는 운영체제의 성능과 안정성에 핵심적인 역할을 하는 메커니즘으로, 시스템 관리자와 개발자가 성능 문제를 분석하고 최적화할 때 반드시 이해해야 하는 개념입니다.