[운영체제 메모리관리] 메모리 구조(Memory Structure)

메모리 구조란?

• 프로그램이 실행되기 위해서는

  먼저 프로그램이 메모리에 로드(load)되어야 합니다.

  또한 프로그램에서 사용되는 변수들을 저장할 메모리도 필요합니다.

 

• 따라서 컴퓨터의 운영체제는

  프로그램의 실행을 위해

  다양한 메모리 공간을 제공하고 있다.

  프로그램이 운영체제로부터 할당받는 대표적인 메모리 공간(RAM)은 다음과 같습니다.

1. 코드(code) 영역

2. 데이터(data) 영역

3. 힙(Heap) 영역

4. 스택(Stack) 영역

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코드(Code) 영역

• 메모리의 코드(code) 영역은

  실행할 프로그램의 코드가 저장되는 영역으로

  텍스트(code) 영역이라고도 부릅니다.

 

• 실행할 프로그램의 코드는

  프로그래머가 작성한 소스 코드입니다.

 

• 프로그램이 시작하고

  끝날 때까지 메모리에 계속 남아있습니다.

 

• 또한 상수도 여기에 들어갑니다.

  물론 컴파일 된 기계어가 들어갑니다.

 

• CPU는

  코드 영역에 저장된 명령어를

  하나씩 가져가서 처리하게 됩니다.

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데이터(Data) 영역

• 메모리의 데이터(data) 영역은

  프로그램의 전역 변수와 정적(Static) 변수가 저장되는 영역입니다.

• 프로그램이 시작하고

  끝날 때까지 메모리에 계속 남아있습니다.

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스택(Stack) 영역

• 메모리의 스택(stack) 영역은

  함수의 호출과 관계되는

  지역 변수와 매개변수가 저장되는 영역입니다.

 

• 스택 영역은 함수의 호출과 함께 할당되며

  함수의 호출이 완료되면 소멸을 합니다.

 

• 이렇게 스택 영역에 저장되는 함수의 호출 정보를

  스택 프레임(Stack frame)이라고 합니다.

 

• 스택 영역은

  메모리의 높은 주소에서 낮은 주소의 방향으로 할당됩니다.

 

• Stack 영역이 클 수록 Heap 영역이 작아지고

  Heap 영역이 클 수록 Stack 영역이 작아집니다.

 

• 스택 영역은

  컴파일 시에 크기가 결정됩니다.

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스택 할당 속도 vs 힙 할당 속도

• 스택이 훨씬 더 빠르다.

• 스택은 이미 할당 되어 있는 공간을 사용하는 것이고

  힙은 따로 할당해서 사용하는 공간입니다.

• 다만 스택은 공간이 매우 적기 때문에

  모든 응용 프로그램에서 스택을 사용할 수는 없습니다.

 

• 좀 더 자세히 알아보자.

  스택에서 할당의 의미는

  이미 생성되어 있는

  스택에 대해

  포인터의 위치만 바꿔주는

  단순한 CPU Instruction(단순히 덧셈과 뺄셈 연산, 일반적으로 단일 Instruction)입니다.

 

• 반면 힙에서의 할당은

  요청된 chunk의 크기, 현재 메모리의 fragmentation 상황 등

  다양한 요소를 고려하기 때문에

  더 많은 CPU Instruction이 필요합니다.

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장점

• 낭비되는 공간이 없다.

• 하나의 명령만으로

  메모리 조작과 어드레스 조작이 가능하다.

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단점

• 한계가 있어

  한계를 초과하도록 삽입할 수 없다.

• 유연성이 부족하다.

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힙(Heap) 영역

• 메모리의 힙(Heap) 영역은

  사용자가 직접 관리할 수 있고

  해야만하는 영역입니다.

 

• 힙 영역은

  사용자에 의해

  메모리 공간이 동적으로

  할당되고 해제됩니다.

 

• 힙 영역은

  메모리의 낮은 주소에서 높은 주소의 방향으로 할당됩니다.

• malloc() 또는 new 연산자를 통해 할당하고 (C/C++)

  free() 또는 delete 연산자를 통해서 해제가 가능합니다.

 

• Java에서는 가비지 컬렉터가

  자동으로 해제하는 곳입니다.

• iOS에도 가비지 컬렉션이 존재하고 자동으로 해제합니다.

 

• Stack 영역이 클 수록 Heap 영역이 작아지고

  Heap 영역이 클 수록 Stack 영역이 작아집니다.

 

• 런타임 시에 크기가 결정됩니다.

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장점

• 프로그램에 필요한

  개체의 개수나 크기를

  미리 알 수 없는 경우 사용 가능합니다.

• 개체가 너무 커서

  스택 할당자에 맞지 않는 경우 사용 가능합니다.

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단점

• 할당 작업으로 인한 속도 저하

  • 단지 할당하는 데 시간이 많이 소요될 수 있습니다.

   

• 힙 손상으로 인한 속도 저하

  • 응용 프로그램에서

    힙 블록을 적절하게 사용하지 않을 경우 힙이 손상을 입습니다.

  • 가장 많이 발생할 수 있는 힙 손상 문제로는

    이중 해제, 해제 후 블록 사용, 블록 경계를 벗어나 덮어쓰기 등이 있습니다.

   

• 힙 경합으로 인한 속도 저하

  • 두 개 이상의 쓰레드에서

    동시에 데이터에 액세스하려고 하면

    경합이 발생하여

    한 쪽 쓰레드의 작업이 완료되어야

    다른 쪽 쓰레드의 작업이 진행될 수 있습니다.

   

  • 경합으로 인해 항상 문제가 발생하며

    이 문제는 현재 다중 프로세서 시스템에서

    일어나는 문제 중 가장 큰 문제입니다.

   

  • 이 문제를 해결하는 일반적인 방법은

    해당 힙을 사용하는 모든 작업을 Serialize합니다.

    이러한 Serialization으로 인해

    쓰레드에서는 잠금을 기다리는 동안

    컨텍스트를 스위칭 할 수 있습니다.

 

그럼 Heap 영역, 동적 할당은 왜 필요한 것일까?

• 메모리를 효율적으로 관리할 수 있기 때문.

 

• 임베디드 시스템을 개발하다보면

  하드웨어 크기가 매우 작은 경우가 많습니다.

• 하드웨어 크기가 작다는 것은

  메모리의 용량도 작음을 의미합니다.

• 그렇게 작은 메모리 공간을

  컴파일러가 자동으로 관리해주는 것보다

  프로그래머가 관리한다면

  더 효율적인 관리가 가능합니다.

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Overflow

Heap overflow

• Heap이 위에서부터 주소값을 채워져 내려오다가

  Stack영역을 침범하는 경우

Stack overflow

• Stack영역이 Heap을 침범하는 경우

• Stack의 지역변수는 사용되고 소멸하므로

  데이터 용량의 불확실성을 가지므로

  밑에서부터 채워 올리고

  Heap은 위에서부터 채워 내려집니다.

• Stack 영역에서의

  주소값은 밑에서부터(먼저선언된 순서) 정해지며

  그 다음 주소는 순서대로 정해집니다.

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References

• 메모리의 구조

• (C/C++) 참고용 정리 - 메모리 영역(Code, Data, Stack, Heap)

• 메모리 영역(code, data, Stack, Heap)

• 스택 힙 속도 관련 질문

• Heap 메모리와 Stack 메모리의 특징 및 장단점   

• 원본게시글 : https://goodgid.github.io/Memory-Structure/#reference