프로세스 주소 공간

프로세스?

프로세스란 User mode에서 작동하는 하나의 프로그램을 의미한다. (ex. 크롬, 카카오톡, 디스코드 등)

각 프로세스들은 CPU와 메모리 자원에 의존하여 작동되며 User mode 수준에서 작동하기 때문에 파일 입출력, 네트워크 통신 등을 직접 수행하지는 못하고 트랩을 통해 다양한 시스템 콜을 호출하여 이를 Kernel mode(운영 체제)에 요청하게 된다. 

각 프로세스들은 동시다발적으로 작동할 수 있는데, 이는 운영체제의 리소스 가상화를 통해서 이루어진다. 특정 PC의 CPU와 메모리는 각각 하나뿐일지라도 운영체제가 이들을 마치 각 프로세스들만을 위한 CPU, 메모리가 있는 것처럼 쪼개고 스케줄링한다. 

CPU 가상화는 각 프로세스가 매우 짧은 시간 동안만을 CPU를 점유하도록 하여 계속해서 컨텍스트 스위칭을 수행하는 방식으로 이루어진다. 이러한 작업을 통해 사용자는 프로세스가 마치 병렬적으로 수행되고 있다고 착각할 수 있다.

메모리 가상화는 앞서 동일 자원을 계속해서 돌려 썼던 CPU 가상화와는 달리, 하나의 물리 메모리를 쪼갠 뒤 이들을 하나의 프로세스에 대응시키는 방식으로 이루어진다. 운영체제의 관리 하에, 이들 메모리는 서로 간섭되지 않고 완전히 격리된다. 

 

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프로세스의 주소 공간

앞서 언급한 프로세스에 대응되는 가상화된 메모리를 프로세스의 주소 공간이라고 표현한다.

프로세스의 주소 공간은 크게 코드 영역, 데이터 영역, 스택 영역, 힙 영역으로 나뉜다. 

출처: https://subscription.packtpub.com/book/application-development/9781785883057/1/ch01lvl1sec9/process-descriptors

코드 영역

프로세스를 작동시킬 코드가 저장되는 영역이다.

여기에서 코드란 사람에 의해 Java나 Javascript, Python으로 작성된 코드를 의미하는 것이 아닌, 컴퓨터가 이해할 수 있게 컴파일된 기계어를 의미한다.

해당 영역의 데이터는 프로세스가 실행되는 와중에는 수정이 불가능하고, 읽기만 가능하다.

 

데이터 영역

데이터 영역에는 전역 변수, 정적 변수, 상수 등이 위치한다. 

Java를 통해 예시를 들면 다음과 같다.

정적 변수

public class Human {
	static int maxAge = 100;
}

Human 클래스의 최대 수명을 100세로 둔다면 다음과 같이 정적 변수로 포함시킬 수 있다. 이는 Human 클래스의 인스턴스가 생성되지 않더라도 Human 클래스 내부에 존재하고, 이런 값들은 데이터 영역에 저장되고 관리된다.

상수

public class Circle {
	static final int PI = 3.141592;
}

Circle 클래스의 PI 값은 변할 일이 없는 값이므로 상수로 선언할 수 있다. 이러한 상수들 또한 마찬가지로 데이터 영역에 저장된다.

데이터 영역은 코드 영역과 달리 프로세스가 작동하는 와중에도 읽기 및 쓰기 작업이 가능하다.

 

스택 영역

스택 영역은 함수의 호출과 관련된 정보를 저장하는 영역이다.

스택 영역은 이름 그대로, 자료 구조로 스택을 이용한다. (LIFO)

스택 영역의 크기는 컴파일 시점에 컴파일러의 예측에 의해 결정된다.

특정 함수가 호출될 때마다 스택 영역에 해당 실행 컨텍스트(ex. 인자, 지역 변수)가 쌓이게 되고, 함수가 작동을 마치고 리턴되면 스택에서 제거된다. 

이러한 특성 때문에, 만약 함수를 반환하지 않고 계속해서 쌓다보면 메모리 부족 문제 때문에 프로세스가 죽어버리는데 이것이 바로 그 유명한 Stack Overflow이다. 해당 문제는 재귀 함수에서 종종 발생하는데, 재귀 종료 조건을 제대로 주지 않았을 때 발생할 수 있다.

 

힙 영역

힙 영역은 런타임에 크기가 결정되며 동적 메모리 할당을 위해 사용된다.

힙 영역은 프로그래머가 User mode에서 직접 제어할 수 있는 영역인데, 할당은 malloc(), 해제는 free() 함수를 이용할 수 있다.

(물론 Java나 Python처럼 할당은 프로그래머에게 맡기되 해제는 자체 가비지 콜렉터를 통해 수행되어 프로그래머가 신경써야할 부분을 줄인 언어도 존재한다.)

힙 영역에는 객체, 배열 등이 저장되며 객체의 경우 Java나 Python, NodeJS의 new 연산자를 통해 메모리 할당이 수행된다.