💿 KAIST:PINTOS | Concept | Memory

📌 Memory란?

Memory(메모리)는 흔히 RAM(Random Access Memory)이라고 불리며,
프로그램이 실행되는 동안 코드, 변수, 함수 정보 등 모든 실행 데이터를 담는 저장소이다.

💡 CPU가 연산을 하기 전, 메모리에서 필요한 데이터를 가져와 레지스터에 올린다.

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🧩 메모리의 구조

운영체제는 메모리를 구역별로 나누어 관리한다.

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| Stack (함수 호출 정보) |
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| Heap (동적 메모리)     |
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| Data (전역 변수 등)    |
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| Text (실행 코드)       |
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주요 영역 설명

구역	설명
Text	실제 프로그램 코드가 저장된 영역
Data	전역변수, static 변수 등이 저장됨
Heap	malloc() 등으로 동적으로 할당되는 공간
Stack	함수 호출, 지역 변수 저장, return address 추적 등

🔁 Stack은 함수 호출 시마다 늘어났다가 함수가 끝나면 줄어드는 후입선출(LIFO) 구조다.

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🧠 PintOS에서 메모리가 어떻게 쓰이는가?

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1. 🧵 Kernel Stack

• PintOS의 각 스레드(struct thread)는 고정된 크기의 커널 스택 공간을 갖는다.
• 이 스택은 struct thread 바로 위쪽 메모리 공간에 위치하며, 한 페이지(4KB) 크기로 할당된다.
• 함수 호출 시마다 return 주소, 지역 변수, 레지스터 값 등이 여기에 쌓인다.
• 만약 너무 많은 함수가 중첩되거나 너무 큰 지역 변수를 선언하면 스택 오버플로우(Stack Overflow)가 발생한다.

🧪 스택 오버플로우 감지 방식

• struct thread 내부에 있는 uint32_t magic 값이 특정 숫자(0xcd6abf4b)로 초기화되어 있다.
• 스택이 overflow되면 이 magic 값이 덮어쓰기 되므로, 이 값을 검사하여 오류를 감지할 수 있다.
• ASSERT(is_thread(t)) 같은 매크로가 내부적으로 이 값을 검증한다.

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2. 📦 Page Allocator

• PintOS는 물리 메모리를 페이지(page) 단위로 관리한다.
  각 페이지는 4096바이트(4KB)의 고정 크기를 가지며, 이는 x86 아키텍처의 표준이다.
• 메모리 요청 시: 페이지 할당기(palloc_get_page())를 통해 페이지 단위로 메모리를 분배한다.
• 메모리 해제 시: palloc_free_page()를 호출하여 페이지를 반납한다.

💡 관련 용어

용어	설명
Free Page Pool	사용 가능한 빈 페이지들의 리스트
Kernel Pool / User Pool	커널과 유저 메모리를 구분하여 보안 및 안정성 확보
Swap Disk	메모리가 부족할 때, 페이지를 임시로 저장하는 디스크 영역
Page-in / Page-out	페이지를 메모리로 가져오거나 내보내는 작업 (프로젝트 3의 핵심)

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3. 🧠 Virtual Memory (P2~P3)

• 실제 메모리는 제한적이고, 모든 프로세스가 0x0 주소에서 시작하도록 할 수 없기 때문에
  가상 메모리(Virtual Memory)를 도입한다.
• 이를 통해 각 프로세스마다 독립적인 가상 주소 공간을 제공할 수 있다.

🧠 핵심 개념들

용어	설명
Virtual Address	프로세스가 사용하는 논리적 주소 (ex. 0x8048000)
Physical Address	실제 RAM에 해당하는 주소 (ex. 0x0012F000)
Page Table	가상 주소를 물리 주소로 변환하는 매핑 구조
Page Fault	참조한 가상 주소에 해당하는 물리 페이지가 없는 경우 발생
Lazy Loading	프로그램 실행 시 전체 페이지를 로드하지 않고, 접근할 때마다 로드
Memory Mapping (mmap)	파일 내용을 메모리에 직접 매핑하여 I/O 효율 향상
Stack Growth	유저 프로그램의 스택이 접근 시 자동으로 확장되도록 지원

❗ page_fault() 핸들러는 이러한 상황에서 어떤 데이터를 어느 페이지에 언제 어떻게 채워 넣을지 결정하는 핵심 함수이다.

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🧰 요약

기능	내용
Kernel Stack	스레드별 4KB 스택, 오버플로우는 MAGIC 값으로 감지
Page Allocator	커널/유저 풀로 분리된 페이지 단위 메모리 관리
Virtual Memory	가상 주소, 페이지 테이블, 지연 로딩 등 고급 메모리 기법 기반

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⏱️ 속도 비교

저장소	예시	속도 (대략)
Register	rax, rsp 등	🟢 1 cycle
L1 Cache	CPU 내부	🔵 3~4 cycle
Memory	RAM (DDR4/5)	🟠 100~300 cycle
SSD	SATA/NVMe	🔴 수만~수십만 cycle

→ 메모리는 빠르다고 하지만 레지스터, 캐시에 비하면 느리다.
그래서 Cache Miss가 발생하면 성능이 급격히 저하된다.

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💾 메모리와 변수의 관계

int x = 5;

• 변수 x는 메모리 어딘가에 저장됨
• &x를 하면 해당 메모리 주소를 가져올 수 있음
• CPU는 이 주소를 통해 메모리에서 값을 꺼내 연산

→ 그래서 C언어에서 포인터가 중요한 이유가 메모리 주소를 직접 다룰 수 있기 때문이다.

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📘 마무리 요약

• Memory는 프로그램 실행 중 필요한 모든 정보가 저장되는 공간이다.
• 스택, 힙, 데이터, 코드 등 각종 구역이 존재하며,
  이를 이해해야 스택 오버플로우, 메모리 누수, 페이지 폴트 같은 문제를 분석할 수 있다.
• PintOS에서는 스레드마다 독립된 스택 메모리를 갖고 있으며,
  커널 메모리/유저 메모리의 구분이 중요하다.
• Project 2~3에서 구현하는 가상 메모리 시스템은
  페이지 할당, page fault 핸들링, mmap, lazy loading, swap 등의 개념으로 확장된다.