Operating sysetem - Address space

2024-10-16 4 minute read

가상 메모리를 이해하기 위해서는 사용자 프로그램이 생성하는 모든 주소는 가상주소라는 것부터 시작해야한다. 프로세스가 자신만의 커다란 전용 메모리를 가진다는 환상을 제공하는 것이다. 운영체제는 각 프로세스에게 코드와 데이터를 저장할 수 있는 대용량의 연속된 주소 공간(address space)를 가지고 있다는 시각을 제공한다. 또 가상화를 통해 고립(isolation)과 보호(protection)을 할 수 있게 된다.

◼︎ Adrress space

초기 시스템

이것은 초기의 메모리였다. 운영체제는 물리주고 0부터 상주하는 루틴의 집합이었고 나머지 메모리에 현재 프로그램들이 들어갔다.

멀티프로그래밍과 시분할

시간이 흐르고 멀티프로그래밍(multi-programming)의 시대가 왔다. 여러 프로세스가 실행 준비 상태에 있고 운영체제는 그들을 전환하면서 실행했다. 이런 전환은 CPU의 이용률이 증가하면서 효율성 개선을 위해 많은 노력을 하였다. 그러다가 사람들이 컴퓨터를 더 많이 사용하기 원하면서 시분할(time-sharing)의 개념이 나오게 되었다. 일괄처리방식으로 프로그램-디버그를 계속 하는 컴퓨팅 방법보다 현재 실행 중인 작업으로부터 즉시 응답을 하는 대화식 이용(interactivity)의 개념이 중요해지게 되었다.

기초 시분할 구현

하나의 프로세스를 짧은 시간동안 실행을 시키고 이 기간 동안 프로세스에게 모든 메모리 접근 권환을 준다. 그런 다음 이 프로세스를 중단하고 중단 시점의 모든 상태를 디스크(저장 장치)에 저장하고 다른 프로세스의 상태를 탑재하여 또 짧은 시간 동안 실행시키는 엉성한 시분할을 구현하였다.
이 방법엔 큰 문제가 있었다. 너무 느리게 동작하고 메모리가 커질수록 더 느리게 된다는 것이었다. 레지스터 상태를 저장하고 복원하는 것은 빨랐지만 메모리의 내용 전체를 디스크에 저장하는 것은 시간이 엄청 오래 걸리게 된다. 그래서 우리가 하려는 일은 프로세스 전환 시 프로세스를 메모리에 그대로 유지하면서 운영체제가 시분할 시스템을 효율적으로 구현할 수 있게 하는 것이다.

그림을 보면 세 개의 프로세스(A, B, C)는 512KB 물리 메모리에서 각기 작은 부분을 할당받았다. 하나의 CPU가 있을 때 운영체제는 실행할 한개의 프로세스(A)를 선택하고 다른 프로세스(B, C)는 준비 큐에서 대기하게 된다. 이렇게 시분할 시스템이 대중화되면서 운영체제는 여러 프로그램이 메모리에 동시에 존재하기 위해 보호(protection)이 중요하게 됐다. 우리는 한 프로세스가 다른 프로세스의 메모리를 읽거나 쓰는 상황을 원치 않는다는 것이다.

◼︎ 주소 공간

운영체제는 사용하기 쉬운(easy to use) 메모리 개념을 만들어야한다. 이 개념이 바로 주소 공간(address space)이다. 운영 체제의 메모리 개념을 이해하는 것은 메모리를 어떻게 가상화 할지 이해하는게 중요하다.
주소 공간에는 해당 프로세스의 코드가 포함되어야 한다. 그리고 전역 변수를 저장하는 공간(DATA), 지역 변수를 저장하는 공간(stack), 동적 할당받은 데이터를(Heap)을 저장하는 공간이 있다.

Text와 Data는 크기가 변하지 않는다. 이것은 아래의 그림에서 프로그램 코드와 같다. 그래서 주소 0부터 시작하여 들어가게 되고 정적이고 추가 메모리를 필요로 하지 않는다. 그런데 Stack과 Heap은 크기가 변할 수 있다. 그래서 주소 공간의 양 끝단에 배치하여 두 영역 모두 확장하는 것이 가능하도록 한다(나중에 쓰레드 개념이 나오면 또 이렇게 생기진 않았다.). 이 주소 공간은 운영체제가 실행 중인 프로그램에게 제공하는 개념(abstraction)이다. 즉, 실제 물리 주소에 존재하는 것은 아니다.

왼쪽은 heap 오른쪽은 stack이다. 그런데 단순히 올라가고 내려온다로 생각하면 안되고 주소를 봐야한다. 주소가 작은곳에서 큰곳으로 가면 heap이고 그 반대면 stack이라고 하는게 정확하다.

◼︎ 목표

메모리를 가상화하기 위한 몇가지 목표에 대해 다뤄보자.

투명성(transparency)
운영체제는 실행 중인 프로그램이 가상 메모리(VM)의 존재를 인지하지 못하도록 구현해야한다. 프로그램은 자신이 전용 물리 메모리를 소유한 것처럼 행동해야한다.
효율성(efficiency)
운영체제의 가상화는 시간과 공간측면에서 효율적이어야 한다. 너무 느려도 안되고 너무 많은 메모리를 써서도 안된다.
보호(protection)
프로세스를 다른 프로세스로부터 보호해야하고 운영체제 자신도 프로세스로부토 보호해야한다. 즉, 자신의 주소 공간 밖의 어느 것도 접근할 수 있어서는 안된다는 것이다.

◼︎ Memory API

UNIX에서 제공되는 간단하고 짧고 핵심적인 인터페이스만 살펴볼 것이다.

메모리 공간의 종류

C 프로그램이 실행됐다고 하면 두 가지 유형의 메모리 공간이 할당된다. 첫 번째는 스택(stack)메모리 할당과 반환이 컴파일러에서 암묵적으로 일어나기 때문에 자동(automatic) 매모리라고 불린다.

void func(){
    int x;
    ...
}

우리가 C에서 x라 불리는 정수를 위한 공간이 필요하면 이렇게 코드를 짜게 된다. 이렇게 하면 컴파일러가 알아서 func()이 호출될 때 스택에 공간을 확보하고 리턴하면 컴파일러가 메모리를 반환한다. 그래서 함수 리턴을 하고도 계속 유지돼야하는 데이터는 스택에 저장하지 않는 것이 좋다.

그래서 오랫동안 값이 유지되어야하는 변수를 위해 힙(heap)메모리라는 두 번째 유형의 메모리가 필요하다. 이것은 모든 할당과 반환이 프로그래머에 의해 명시적으로 처리된다.

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

이 코드는 정수에 대한 포인터를 힙에 할당하는 예이다. 주의 사항이 몇개 있는데 첫째는 한 행에 스택과 힙 할당이 모두 발생한다는 것이다. 우선 컴파일러가 포인터 변수 선언 int *x를 만나면 정수 포인터를 위한 공간을 할당해야한다는 것을 안다. 프로그램이 malloc()을 호출하여 정수를 위한 공간을 힙으로 부터 요구한다. malloc()`은 정수의 주소를 반환(실패시 NULL)하는데 이 주소는 스택에 저장되어 프로그램에 사용된다.

malloc() 함수

malloc()의 호출은 매우 간단한데 힙에 요청할 공간의 크기를 입력해주면 성공했으면 새로 할당된 공간에 대한 포인터를 사용자에게 반환하고 실패하면 NULL을 반환한다.

# include <stlib.h>
...
void *malloc(size_t size);

사실 헤더를 부를필요 없이 malloc()이미 라이브러리에 있지만 헤터 파일을 이렇게 추가해두면 malloc()을 올바르게 호출했는지 컴파일러가 검사할 수 있다. 전달된 인자의 개수와 올바른 데이터 타입의 인자를 전달했는지 검사를 한다.

# include <stlib.h>
...
double *d = (double *) malloc(sizeof(double));

위의 코드는 double precision의 부동 소수점 값을 위한 공간을 확보하기 위한 코드이다. malloc()에서는 정확한 크기의 공간을 요청하기위해 sizeof() 연산자(함수가 아니다)를 사용한다.

int *x = malloc(10 * sizeof(int));
printf("%d\n", sizeof(x));

위의 코드는 sizeof()를 사용했을 때 발생할 수 있는 문제의 예시이다. 이렇게 되면 32비트 컴퓨터면 4 64비트면 8을 출력한다. 즉, x의 자료형에 대한 크기를 출력하게 되는 것이다.

int x[10];
printf("%d\n", sizeof(x));

이렇게 하면 해결할 수 있지만 문제는 문자열을 malloc()안에 넣었을 때 생길 수 있다. 문자열의 마지막은 항상 NULL값을 가지기 때문이다.

free() 함수

이 함수는 할당된 메모리를 해제한다.

int *x = malloc(10 * sizeof(int));
free(x);

이렇게 써주면 해제가 된다.

◼︎ Example

Allocating and freeing

왼쪽은 allocating 하는 것인데 int형 size 4로 4번 할당하라는 뜻이고 오른쪽 free()는 그것을 다 다시 free로 만들어버리는 것이다.

len()과 string

맨 처음의 dst처럼 하면 stack에는 차있지만 unallocated하다. 그래서 중간의 것이 옳게된 방법인데 문자형은 항상 맨 뒤에 ₩0가 들어가게 되는데 이것을 len()으로 처리되면 ₩0를 세지 않는다. 그래서 + 1을 해줘야 옳은 방법이 되는 것이다. 그런데 작동은 하긴 한다.

◼︎ Memory leak

만약 allocated된것이 사용되지 않고 계속 allocate 되기만 하다가 memmory를 다 채워버리면 어떻게 될까? 이런 상황을 memory leak라 한다. 반드시 free를 통해 없애줘야 한다.

Share on

Twitter Facebook LinkedIn