Address Space(주소 공간)

ByeongUk·2024년 5월 24일

운영체제

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> 배경 설명

초기 시스템은 물리 메모리에 하나의 실행 중인 프로세스가 존재하고 특별한 가상화는 거의 존재하지 않았다. 하지만, 시간이 흐르면서 멀티 프로그래밍(Multi-Programming) 시대가 도래 하였다. 여러 프로세스가 실행 준비 상태에 있고 OS는 프로세스들을 전환하면서 CPU의 활용률을 극대화시켰다.

멀티 프로그래밍과 시분할(Time-Sharing) 시스템을 도입하면서 단순히 메모리에 다수의 프로그램 코드, 데이터를 적재하는 것 뿐만 아니라, 메모리의 할당과 해제, 프로세스 간의 전환 성능, 보호(Protection)가 중요해졌다. 아무튼 시분할 시스템의 문제는 너무 느리게(특히 메모리가 커질수록) 동작하고, 레지스터 상태를 저장하고 복원하는 것은 빠르지만 메모리의 내용 전체를 디스크에 저장하는 것은 매우 느리다는 점이다. 이 부분에서 프로세스 전환 시 프로세스를 메모리에 그대로 유지하면서, 운영체제가 시분할 시스템을 효율적으로 구현할 수 있게 할 필요성 이 있었다.

👉 주소 공간 추상화의 목적

Transparency(투명성) : OS는 사용자 프로그램들이 가상 메모리의 존재를 인식하지 못하면서 프로그램 자신이 물리 메모리를 통째로 쓰고 있다고 생각하고 편하게 사용해야 한다.
Efficiency(효율성) : OS는 가상 메모리를 사용함에 있어 시간과 공간 측면에서 효율적이도록 해야 한다. 가상 메모리를 사용하면 실제로 사용되지 않는 메모리를 디스크에 저장하고, 필요할 때만 로드하여 물리 메모리 사용을 최적화할 수 있다.
Protection(보호) : 한 프로세스의 주소 공간이 다른 프로세스들의 불법적인 접근으로부터 보호받아야 한다. 이를 위해 프로세스들을 서로 "격리(Isolate)" 시킬 수 있는데 각 프로세스는 고유한 가상 주소 공간을 가지므로, 한 프로세스가 다른 프로세스의 메모리에 접근하는 것을 방지할 수 있다.

❓ 그럼 주소 공간(Address Space)이란...?

간단하게는 프로세스가 메모리에 접근할 수 있는 주소의 범위 를 뜻한다. 주소 공간을 통해 OS는 프로세스마다 고유한 메모리 공간을 할당하고 관리한다. 주소 공간은 두 가지 형태로 나눌 수 있는데...

Physical Address Space(물리 주소 공간) : 실제 컴퓨터의 물리적 메모리(RAM)의 주소를 나타낸다. 이 공간은 하드웨어가 직접 접근할 수 있는 메모리 주소를 말한다.
Virtual Address Space(가상 주소 공간) : 각 프로세스마다 독립적으로 할당되어 있는 주소 공간으로, 물리 주소와는 분리되어 있다. 이를 통해 프로세스는 자신의 독립된 메모리 공간을 가지며, 다른 프로세스의 메모리에 영향을 주지 않고 안전하게 실행될 수 있다. OS는 페이지 테이블을 이용해 주소 변환을 한다.

🔥 용도에 따른 가상 주소 공간의 구성 요소

Code(코드) : 실행할 프로그램의 코드가 저장되는 영역
Data(데이터) : 전역 변수 및 정적 변수가 저장되는 영역
Heap(힙) : 동적으로 할당되는 메모리 영역
Stack(스택) : 함수 호출과 관련된 지역 변수 및 함수 인자가 저장되는 영역

위의 그림은 16KB의 주소 공간을 보여주고 있다. 프로그램 코드는 주소 공간의 가장 상단에 위치한다. 주소 0부터 시작하고, 주소 공간의 1KB를 차지하고 있다. 코드는 정적이기 때문에 메모리에 저장하기 쉽다. 따라서 주소 공간의 상단에 배치하며, 프로그램이 실행되면서 추가 메모리를 필요로 하지 않는다.
다음으로는 프로그램 실행과 더불어 확장되거나 축소될 수 있는 두 종류의 주소 공간이 존재한다. 상단에 존재하는 Heap(힙)과 하단에 존재하는 Stack(스택)이다. 주소 공간의 양 끝단에 배치해야 두 영역 모두 확장하는 것이 가능하다. 힙은 코드 바로 뒤 1KB부터 시작해서 아래 방향으로 확장하고 스택은 16KB에서 시작해서 위쪽 방향으로 확장한다.

여기서 주의할 점은, 실제 프로그램이 물리 주소 0에서 16KB 사이에 존재하는 것은 아니라는 것 이다. 실제로는 임의의 물리 주소에 탑재된다. 프로세스가 실행될 때, OS는 해당 프로세스에 가상 주소 공간을 할당한다. 이 주소 공간은 물리 메모리에서 다른 위치에 매핑될 수 있다.

그림에서 출력된 주소 값들은 모두 가상 주소 인 것이다.

👉 Address Space API

예를 들어 C 프로그램이 실행된다고 한다면, 두 가지 유형의 메모리 공간이 할당된다. 첫 번째는 Stack(스택)으로 실행 시간에 자동으로 할당하고 해제 한다. 가령, func() 이라는 함수 안에서 x라 불리는 정수를 위한 공간을 선언하면 func() 함수가 호출될 때 스택에 공간을 확보한다. 함수에서 리턴하면 컴파일러가 메모리를 반환한다. 따라서 함수 리턴 이후에도 유지되어야 하는 정보는 스택에 저장하지 않는 것이 좋다. 오랫동안 값이 유지되어야 하는 변수를 위해서는 Heap(힙)이라는 메모리가 필요하다. 프로그래머가 직접 할당과 해제를 해야 한다.

void func() {
	int *x = (int *) malloc(sizeof(int));
    ...
}

예를 들어, 이 코드에서 주의 사항이 있다. 첫 번째로 한 행에 스택과 힙 할당이 모두 발생한다. 컴파일러가 포인터 변수의 선언 (int *x)을 만나면 정수 포인터를 위한 공간을 할당해야 한다는 것을 안다. 프로그램이 malloc( ) 을 호출하여 정수를 위한 공간을 힙으로부터 요구한다. malloc( ) 은 그 정수의 시작 주소를 알려준다(실패하면 NULL을 반환). 이 반환된 주소가 스택에 저장되어 프로그램에 의해 사용된다.

이제 공간을 해제하는 것, 더 이상 사용되지 않는 힙 메모리를 해제하기 위해 free() 함수 를 호출한다. 만약 malloc( ) 함수로 메모리를 할당하고 free( ) 함수로 해제하지 않는다면, OS가 그 메모리 공간이 현재 사용 중인줄 알고 추후에 그 공간이 필요할 때 할당을 안 해줄 수도 있다.

이런 malloc(), free() 함수는 시스템 콜이 아니라 라이브러리를 호출하는 것 이다. 주소 공간에 관련된 시스템 콜은 brk() 또는 sbrk() 이다. brk() 은 Program break(Data segment의 끝 주소)의 위치를 변경할 때 사용된다. 예를 들어, brk(addr) 이라고 한다면, addr가 새로운 Program break 주소라는 뜻이다.

또한, 공간을 늘리고 싶을 때 sbrk()를 사용하면 된다. 예를 들어, sbrk(inc)은 현재 Program break에서 inc 바이트 만큼 늘려 Program break를 갱신한다는 것이고, sbrk(0) 의 의미는 현재 위치, 즉 Data segment의 끝 위치를 얻어온다는 뜻이다.

👉 동적 (하드웨어 기반) 재배치

1950년대 Time-Sharing 시스템에 도입된 재배치 방법으로 CPU가 제공하는 레지스터인 Base와 Limit(=bounds)를 활용하여 주소 변환을 수행하는 과정을 의미한다.

이 base와 limit 레지스터를 이용하여 원하는 위치에 주소 공간을 배치할 수 있게 한다. 배치와 동시에 프로세스가 오직 자신의 주소 공간에만 접근한다는 것을 보장한다. 프로그램 시작 시, OS가 프로그램이 탑재될 물리 메모리 위치를 결정하고 base 레지스터를 그 주소로 지정한다. 그 주소 값을 유저 프로세스가 생성하는 모든 메모리 주소에 합산한 결과를 물리 메모리 주소로 전송한다.

즉, 가상 주소는 다음 식에 의해서 물리 주소를 계산한다.

물리 주소 = 가상 주소 + 재배치 레지스터(base)

위 그림처럼 프로세스가 346번지에 엑세스할 때, 실은 메인 메모리의 14346번지(=물리 주소)에 액세스하게 되는 것이다. 만약 가상 주소가 250,000 번지로 주어진다면 존재하지 않는 물리 주소를 부르는 것이기 때문에 유효하지 않다. 주어진 Logical memory의 메모리 범위 안이라면 유효한 것이다.