메모리 구조

들어가기 전에 ..

데이터나 프로그램을 저장하는 저장 공간은 계층 구조를 가진다.
CPU에서 가장 가까운 저장 공간은 레지스터이고,
레지스터 → CPU 캐시 메모리 → 메인 메모리 → 보조기억장치 → 외부기억장치 순으로 CPU와 멀어진다.
CPU로부터 멀어질수록 데이터를 저장하는 용량이 커지고 접근 속도는 느려진다.

진짜로 들어가기 전에.. ROM vs RAM

ROM은 Read Only
RAM은 Read / Write 가능

이제 진짜로 시작함 ..

프로그램의 작성과 실행은 다음과 같은 순서로 진행된다.

1. 프로그램 작성
2. 작성한 프로그램을 디스크에 저장
3. 사용자가 운영체제에 프로그램의 실행을 요청
4. 운영체제가 프로그램의 정보를 읽어 메인 메모리에 공간을 할당해 load

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메모리 공간의 구조

Code 영역(Text 영역)

• 사용자가 작성한 코드가 저장되는 영역이다. 즉, 실행할 프로그램의 코드가 저장되어 있는 영역.
  • 이 코드는 컴파일된 후 기계어 형태로 저장되어 있다.
  • 이렇게 컴퓨터에게 일을 시키는 실행 코드를 Instruction 이라고 한다.
  • CPU는 코드 영역에 저장된 명령어를 하나씩 가져가서 처리한다.
• 프로그램이 실행되고 끝날 때까지 메모리에 남아있다.
• 읽기 전용
• 다른 프로세스에서 참조 가능한 영역 ← ???????????

Data 영역

• 프로그램의 전역 변수와 static 변수 등이 저장되어 있는 영역이다.
• 프로그램 실행 시, 전역 변수와 static 변수는 메인 함수가 호출되기 전에 데이터 영역에 할당된다.
• 프로그램이 실행되고 끝날 때까지 메모리에 남아있다.
• 데이터 영역은 BSS 영역, Data 영역으로 나뉜다.
  • BSS(Block Stated Symbol) 영역
  • Data 영역
    • 초기화가 이루어진 변수들이 저장된다.
    • 프로그램 실행 중 자유롭게 접근해서 수정, 변경이 가능하다.
    • 사실 데이터 영역은 ROM에 위치하는데, 전역변수와 static 변수를 ROM에 저장하면 런타임 시 변경된 값이 적용되지 않고, 계속 초기값만을 가지고 있게 된다. (ROM은 read only니까!) 그래서 데이터 영역을 RAM에 복사해서 런타임 시 변경되는 값을 저장할 수 있도록 한다고 합니다. ..
  • BSS와 Data 영역을 나누는 이유는?
    • 초기화된 데이터는 ROM의 data 영역에 저장된다. 하지만 아직 초기화되지 않은 데이터들까지 ROM에 저장되면 큰 사이즈의 ROM이 필요하기 때문에 이 영역을 나눈다고 함..

Heap 영역

• 프로그램이 실행되는 동안 동적으로 사용할 데이터가 저장된다.
• 사용자가 직접 관리하는 영역이다. 즉, 사용자에 의해 메모리가 동적으로 할당, 해제된다.
• class, closure와 같은 참조 타입의 데이터가 저장된다.
  • swift의 경우 ARC가 참조 타입의 할당, 해제 시점을 자동으로 관리한다
  • Java의 경우 가비지 콜렉터가 관리함
  • C의 경우 사용자가 동적으로 할당, 해제 해줘야 함. (malloc, free?)
• 메모리의 낮은 주소 → 높은 주소로 할당된다.
• 런타임 시(= 프로그램이 실행되는 도중)에 힙 영역의 크기가 결정된다.

Stack 영역

• 함수 호출 시 생성되는 지역 변수와 매개 변수가 저장된다.
• 즉, 함수 호출 시 할당되며 실행이 끝나면 메모리에서 해제된다.
  • 프로그램이 사용하는 임시 메모리 영역 정도로 생각
  • 함수 호출 시 스택에 push 되고, return 을 하면 스택에서 pop
  • 할당과 해제를 반복하기 때문에 데이터의 용량이 불확실하다.
  • 이렇게 스택 영역에 저장된 함수 호출 정보를 Stack Frame이라고 한다.
• struct, enum과 같은 값 타입의 데이터가 저장된다.
• 메모리의 높은 주소 → 낮은 주소로 할당된다.
  • 왜 이렇게 할당하지??
• 컴파일 시에 할당될 영역의 크기가 결정된다.
• 운영체제에 따라 제한된 스택 영역의 크기가 다르다. 이 크기를 초과해 push 할 수 없음!

Stack 영역 vs Heap 영역

• 스택 영역과 힙 영역은 사실상 같은 공간을 사용한다. 그래서 스택 영역이 클 수록 힙 영역이 작아지고, 힙 영역이 클 수록 스택 영역이 작아진다.

• 스택 영역이 높은 주소 → 낮은 주소로 할당되고, 힙 영역이 낮은 주소 → 높은 주소로 할당되기 때문에 자신의 영역이 상대의 영역을 침범하는 사태가 발생할 수 있다. 이를 각각 스택 오버플로우, 힙 오버플로우 라고 한다.

• 할당 속도 비교

  • 스택은 컴파일 시 이미 할당된 공간을 사용한다.

    • 스택에서 말하는 할당이란 이미 생성된 스택에 대해 포인터의 위치만 바꿔주는 단순한 CPU Instruction을 말한다.

  • 힙은 사용자가 따로 할당해서 사용하는 공간이다.
    - 힙에서의 할당이란 요청된 chunk의 크기, 현재 메모리의 fragmentation 상황 등 다양한 요소를 고려하기 때문에 더 많은 CPU Instruction을 필요로 한다.

    → 그러면 스택 할당 속도가 훨씬 빠르겠지요?

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전역 변수와 지역 변수

• 하나의 프로세스는 여러 개의 스레드를 가질 수 있다. 이 때 스레드는, 프로세스의 모든 메모리 영역을 공유하는 것이 아니라, code, data, heap 영역만 공유하고, stack 영역은 각자 가지고 있다. 그래서 스레드끼리 공유할 정보는 전역 변수로 선언해 data 영역에 저장되게끔 하고, 각 스레드에서 사용하고 끝나면 버릴(?) 정보는 지역 변수로 선언해 stack 영역에 저장되게끔 하면 된다.
• 스레드를 하나의 함수처럼 생각하면 이해하기 쉬움 ~! 프로세스와 스레드에 관한 글은 이거 읽으세요 .. 아주 명문임 !!

swift에서 static을 사용하는 경우는 ..

..

swift ARC vs Java 가비지 콜렉터 ?

• ARC

  • 힙 영역의 데이터들이 얼마나 참조되고 있는지 count해서 메모리 할당/해제를 관리
  • 즉, 컴파일 시에 reference counting을 함
    • 어떻게 counting을 하는데?
  • 컴파일 시 인스턴스 해제 시점을 알기 때문에 언제 이 인스턴스가 메모리에서 해제될 지 예측할 수 있다.
  • 메모리 관리를 위한 시스템 자원을 추가할 필요가 없다.

• 가비지 콜렉터

  • 프로그램 동작 중에 reference counting

  • 프로그램을 동작할 때, 메모리 감시를 위한 추가 자원이 필요하다.

  • 명확한 규칙이 없기 때문에 인스턴스가 언제 메모리에서 해제될 지 예측하기가 어려움.

    (ㅈㅅ합니다 자바는 여기까지밖에 모릅니다...)

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Reference

https://kant0116.tistory.com/17

https://velog.io/@hidaehyunlee/메모리-구조를-알아보자

https://ieroa.tistory.com/entry/C언어-메모리-구조