[운영체제] 운영체제에서의 메모리 구조를 영역 지어 설명하세요.

1. 운영체제에서의 메모리 구조란?

RAM(주 기억 장치)이란 물리적 메모리를 논리적(가상)으로 영역을 지어 나눈 것.

(1) 하드웨어에서의 메모리 구조

하드웨어 메모리 계층 구조
├── 레지스터
│   └─ CPU 내부에 위치 (가장 빠른 메모리)
├── 캐시 (L1, L2, L3)
│   └─ CPU와 RAM 사이에서 자주 사용되는 데이터를 저장
├── 주기억장치 (RAM)
│   ├── 사용자 영역 (User Space)
│   │   
│   │   
│   │   
│   │   
│   └── 커널 영역 (Kernel Space)
│       
│       
│       
│       
└── 보조기억장치 (HDD, SSD)
    ├── 스왑 공간 (Swap Space)
    └── 영구 데이터 저장소

저장소라는 메모리의 본 뜻에 맞게 하드웨어적인 메모리를 구분 지어 살펴보면 위와 같이 나온다.

여기서 우리가 주효하게 사용하는 RAM을 효율적으로 사용하기 위해 *RAM 안의 영역을 논리적으로(==가상으로) 구분 짓는다. * 이것이 운영체제에서 말하는 메모리 구조이다.

RAM 영역을 운영체제의 논리에 맞게 다시 구분 지어보면,

(2) 운영체제의 메모리 구조

   ├── 사용자 영역 (User Space)
   │   ├── 텍스트 영역
   │   ├── 데이터 영역
   │   ├── 힙 영역
   │   └── 스택 영역
   └── 커널 영역 (Kernel Space)
       ├── 커널 코드
       ├── 커널 데이터
       ├── 커널 힙
       └── 커널 스택

다음과 같이 나뉜다.

사용자 영역은 운영체제의 사용자를 위한 영역이고, 커널 영역은 운영체제 자체도 하나의 프로그램이라 그것을 실행하기 위해 활용되는 영역이다. 이제 세세히 알아보겠다.

2. 사용자 영역 설명

(1) 코드 영역

정의

사용자가 실행한 프로그램의 코드가 저장되는 영역

특징

• 1️⃣ 기계어: 사용자가 실행한 프로그램의 기계어 코드가 저장됨
• 2️⃣ 모두 각자의 집: 모든 프로세스(프로그램이 살아있을 때 이름)은 자신만의 독립된 영역을 가짐
• 3️⃣ 읽기 전용: 실행 중 수정 불가
• 4️⃣ 공유 영역의 존재: 동일한 프로그램의 여러 인스턴스 혹은 프로세스가 같은 코드 영역을 공유 가능
• 5️⃣ 정적인 크기: 코드 영역의 크기는 프로그램 실행 시 결정되며 도중에 변경 되지 않음.
• 6️⃣ 운영 체제에 의해 보호됨

(2) 데이터 영역

정의

전역변수와 정적 변수를 저장하고 그것들의 상태유지를 담당한다.

• 전역 변수: 모든 함수에서 접근 가능한 변수, 따라서 프로그램 전체에서 공유됨
• 정적 변수: 함수 내에서 선언되더라도 프로그램 종료 시까지 메모리에 유지됨
• 상태유지: 전역 혹은 정적 변수의 값이 도중에 바뀌면 그 상태를 유지시킴

특징

• 1️⃣ 프로그램 실행 시 초기화: 프로그램이 실행될 때 메모리에 할당됨,
• 2️⃣ 데이터 구분 관리: 초기화된 데이터와 초기화되지 않은 데이터를 나누어 저장
• 3️⃣ 읽기 및 쓰기 가능: 프로그램 실행 중에도 변수의 값 변경이 가능
• 4️⃣ 정적 크기: 프로그램 실행 과정에서 크기가 결정되며 변경되지 않음
• 5️⃣ 데이터 영역은 프로세스 별 독립적

(3) 힙 영역

정의

런타임 시점에서 메모리가 필요할 때, 프로그래머가 직접 코드를 써서 메모리를 사용하고, 해제할 수 있도록 비워둔 영역

특징

• 1️⃣ 사용자가 직접 메모리 관리: 사용자가 직접 할당해서 쓰고 직접 해제하며 관리 해야함. (안하면 메모리 누수 위험)
• 2️⃣누구나 접근: 프로세스 별로 독립적으로 영역 구분되지만 같은 프로세스 내 Thread들이 사용하는 Heap 영역은 하나로 공유됨.
• 3️⃣ 메모리 접근: 스택보다 느림
• 4️⃣ 크기 제한 없음: 스택이랑 총 파이를 공유
• 5️⃣ 성장: 낮은 주소에서 높은 주소 메모리 영역이 확장됨

(4) 스택 영역

정의

텍스트 영역에서 코드를 실행하며 함수가 호출될 때, 해당 함수에 필요한 데이터를 관리함.
(ex - 함수의 지역 변수, 매개변수, 리턴 주소 등)

함수 실행이 끝나면 관련 데이터를 자동으로 제거해서 효율적으로 메모리를 관리함.

특징

• 1️⃣ 자동 메모리 관리: 함수 호출 시 자동으로 메모리 할당 되고 함수 종료 시 자동으로 해제
• 2️⃣ 변수에 대한 지역적 접근: 함수 내에서만 접근 가능
• 3️⃣ 메모리 접근: LIFO 구조로 간단히 관리 되어서 힙보다 빠름
• 4️⃣ 메모리 크기가 제한됨: 크기가 고정적, (넘으면 스택 오버 플로우 에러 발생)
• 5️⃣ 성장: 높은 주소에서 낮은 주소로 메모리 영역이 확장됨.