[OS] 메모리 구조(Memory Structure)

프로그램 실행 순서

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프로그램의 정보를 읽어 메모리에 로드되는 과정을 볼 수 있다. 프로그램이 실행하게 되면 OS는 메모리(RAM)에 공간을 할당해준다.

할당해주는 메모리 공간은 4가지(Code, Data, Stack, Heap)가 있다.

 

 

코드(Code)

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우리가 작성한 소스코드가 들어가는 부분. 즉, 실행할 프로그램의 코드가 저장되는 영역으로 텍스트(code)영역이라고 부른다.

코드 영역은 실행파일을 구성하는 명령어들이 올라가는 메모리 영역으로 함수, 제어문, 상수 등이 여기에 저장된다.

: 프로그램 언어로 작성된 내용들이 컴파일되어 저장되어 있다.

 

 

데이터(Data)

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전역변수와 static변수가 할당되는 영역
프로그램의 시작과 동시에 할당되고, 프로그램이 종료되어야 메모리가 소멸되는 영역

 

스택(Stack) 영역

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프로그램이 자동으로 사용하는 임시 메모리 영역이다.
함수 호출 시 생성되는 지역 변수와 매개변수가 저장되는 영역이고, 함수 호출이 완료되면 사라진다.

 

• 함수의 호출과 함께 할당되며 함수의 호출이 완료되면 소멸한다. 이렇게 스택 영역에 저장되는 함수의 호출 정보를 스택 프레임(Stack Frame)이라고 한다.
• 프로그램이 자동으로 사용하는 임시 메모리 영역이다.
• 메모리의 높은 주소에서 낮은 주소의 방향으로 할당된다.
• 컴파일 시에 크기가 결정된다.
• 윈도우는 약 1mb 크기, 리눅스는 약 8mb

장점

• 낭비되는 공간이 없다.
• 하나의 명령만으로 메모리 조작과 어드레스 조작이 가능하다.

단점

• 한계가 있어 한계를 초과하도록 삽입할 수 없다.
• 즉, 유연성이 부족하다.

 

 

힙(Heap) 영역

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프로그래머가 할당/해제하는 메모리 공간이다.
Java에서는 가비지 컬렉터가 자동으로 해제한다.
이 공간에 메모리 할당하는 것을 동적 할당(Dynamic Memory Allocation)이라고도 부른다.

예를 들어 클래스, 클로저가 이 부분에 해당 된다.
런타임 시에 크기가 결정된다.

 

장점

• 프로그램에 필요한 개체의 개수나 크기를 미리 알 수 없는 경우에 사용 가능.
• 개체가 너무 커서 스택 할당자에 맞지 않는 경우 사용 가능.

단점

• 할당 작업으로 인한 속도 저하
• 해제 작업으로 인한 속도 저하
  • 주로 병합을 사용할 때 해제 작업에 더 많은 주기가 소요된다.
• 힙 손상으로 인한 속도 저하가장 많이 발생할 수 있는 힙 손상 문제로는 이중 해제, 해제 후 블록 사용, 블록 경계를 벗어나 덮어쓰기 등이 있다.
• 응용 프로그램에서 힙 블록을 적절하게 사용하지 않을 경우 힙이 손상된다.
• 힙 경합으로 인한 속도 저하이 문제는 현재 다중 프로세서 시스템에서 일어나는 문제 중 가장 큰 문제다.
• 경합은 일반적으로 쓰레드와 프로세스의 컨텍스트 스위칭을 가져온다. 컨텍스트 스위칭에도 리소스가 많이 소모되지만 프로세서 캐시에서 데이터가 손실되어 나중에 해당 쓰레드가 다시 살아날 때 이 데이터를 다시 작성하는 데에 리소스가 훨씬 많이 소모된다.
• 두 개 이상의 쓰레드에서 동시에 데이터에 액세스하려고 하면 경합이 발생하여 한 쪽 쓰레드의 작업이 완료되어야 다른 쪽 쓰레드의 작업이 진행될 수 있다.

 

 

위의 Heap과 Stack영역은 사실 같은 공간을 공유한다.

 Heap이 메모리 위쪽 주소부터 할당되면 Stack은 아래쪽부터 할당되는 식이다.

그래서 각 영역이 상대 공간을 침범하는 일이 발생할 수 있는데 이를 각각 Heap OVERFLOW, Stack OVERFLOW라고 한다.

 

 

오버플로우(Overflow)

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Stack의 지역변수는 사용되고 소멸하기 때문에 데이터 용량의 불확실성을 가진다.

따라서 Stack 영역에서의 주소값은 밑에서부터 채워지며 그 다음 주소는 선언된 순서대로 정해진다. 반면 Heap 영역에서의 주소값은 위에서부터 채워 내려지기 때문에, 두 메모리 영역의 주소가 겹치게 되는 Overflow가 발생할 수도 있게 된다.

Heap overflow

Heap이 위에서부터 주소값을 채워져 내려오다가 Stack영역을 침범하는 경우.

Stack overflow

Stack영역이 Heap을 침범하는 경우.

 

 

Stack vs Heap

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Stack 영역이 크면 클 수록 Heap 영역이 작아지고, Heap 영역이 크면 클수록 Stack 영역이 작아진다.

결론부터 말하자면 스택이 훨씬 빠르다. 스택은 이미 할당 되어있는 공간을 사용하는 것이고 힙은 사용자가 따로 할당해서 사용하는 공간이다. 다만 스택은 공간이 매우 적기 때문에 모든 응용에서 스택을 사용할 수 는 없다.

 

스택에서 할당의 의미는 이미 생성되어 있는 스택에 대해 포인터의 위치만 바꿔주는 단순한 CPU Instruction(덧셈과 뺄셈 연산, 일반적으로 단일 Instruction)이다.

반면 힙에서의 할당은 요청된 chunk의 크기, 현재 메모리의 fragmentation 상황 등 다양한 요소를 고려하기 때무에 더 많은 CPU Instruction이 필요하다.

 

Chunk
: header와 data 영역으로 구성된다. 
- malloc()으로 할당 받는 영역과 header를 포함한 영역을 뜻한다.
- header란 prev_size와 size를 뜻한다.
- 32bit에서는 8byte의 배수, 64bit에선 16byte의 배수로 할당이 된다.
- 64bit에서 malloc(1)을 하게되면 Data영역은 총 16만큼 할당이 된다는 의미다.

prev_size
: 이전 청크의 사이즈
- Data의 크기가 128비트 이상인 청크가 free될 때 다음 청크의 prev_size가 세팅이 된다. (64bit 기준)
- 즉 fastbin을 free할 땐 항상 0으로 유지되고 PREV_INUSE 비트가 0이 되어야만 세팅이 된다.

size
- 현재 청크의 크기이다.
- 하위 3bit는 flag로 쓰이는데, PREV_INUSE가 제일 중요하다.
-> PREV_INUSE(0x1): 이전 chunk가 사용 중 또는 fastbin일 때 설정되는 플래그 
-> IS_MMAPPED(0x2): mmap() 함수로 할당된 chunk일 때 설정되는 플래그

-> NON_MAIN_ARENA(0x4): 멀티 쓰레드 환경에서 main이 아닐 때 생성되는 플래그

 

malloc으로 메모리를 할당해주는 이유

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malloc없이 새로운 노드를 만들게 되면, ft_newlst 함수가 종료되면서 반환되는 new 노드는 stack에서 사라지게 된다.

 

malloc을 하면 힙영역에 할당되고, 그래야 함수가 종료돼도 메모리 상에 남아 t_list *new 가 할당 받은 메모리를 가리킬 수 있게 된다.

 

 

 

 

 

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