프로세스의 주소 공간 (Address Space)

높은 주소
+------------------+
| 커널 영역        |  사용자 코드가 접근 불가
+------------------+
| 스택 (Stack)     |  아래(낮은 주소)로 성장
|        |         |
|        v         |
|                  |
|        ^         |
|        |         |
| 힙 (Heap)        |  위(높은 주소)로 성장
+------------------+
| BSS 영역         |  초기화 안 된 전역, 0으로 채워짐
+------------------+
| 데이터 (Data)    |  초기화된 전역과 정적 변수
+------------------+
| 코드 (Text)      |  기계어 명령, 읽기 전용
+------------------+
낮은 주소

변수는 어디에 놓이는가

C 코드로 각 영역을 짚어 보면 다음과 같다.

int g_init = 10;          // 데이터 영역
int g_uninit;             // BSS 영역
const char *msg = "hi";   // 포인터 msg는 데이터 영역,
                          // 문자열 리터럴 "hi"는 읽기 전용(코드 인접) 영역

void func(int arg) {      // arg: 스택
    int local = 1;        // local: 스택
    static int cnt = 0;   // cnt: 데이터 영역 (수명은 프로그램 전체)
    int *p = malloc(4);   // 포인터 p는 스택, 할당된 4바이트는 힙
    free(p);
}

스택 변수는 함수가 반환되면 사라지므로 지역 변수의 주소를 반환하면 안 되고, 힙 메모리는 명시적으로 해제해야 하므로 잊으면 메모리 누수(memory leak)가 된다. 두 규칙 모두 영역의 수명 차이에서 나온다.

스택과 힙의 동작 차이

스택은 함수 호출마다 스택 프레임(stack frame)을 쌓고 반환하면 통째로 걷어내는 구조라 할당과 해제가 포인터 이동 하나로 끝나고 매우 빠르다. 대신 크기가 제한적이어서(리눅스 기본 8MB 수준) 깊은 재귀나 큰 지역 배열은 스택 오버플로(stack overflow)를 일으킨다. 힙은 임의 시점에 임의 크기를 할당하고 해제할 수 있는 유연한 공간이지만, 할당자가 빈 블록을 찾고 관리하는 비용이 들고 할당과 해제가 뒤섞이며 단편화가 생길 수 있다. 힙 확장은 내부적으로 brk나 mmap 시스템 콜로 이루어지며, 큰 할당은 별도의 mmap 매핑으로 처리되는 것이 일반적이다. 참고로 스레드는 프로세스의 주소 공간을 공유하지만 스택만은 스레드마다 따로 가지므로, 힙의 데이터는 스레드 간에 공유되고 지역 변수는 공유되지 않는다.

가상 주소 공간이 주는 이점

주소 공간이 가상화되어 있기에 얻는 것이 많다. 프로세스끼리 완전히 격리되어 서로의 메모리를 침범할 수 없고, 모든 프로그램이 같은 논리적 배치(레이아웃)를 가정하고 컴파일될 수 있으며, 물리 메모리보다 큰 공간을 쓸 수 있다. 또한 공유 라이브러리를 여러 프로세스의 주소 공간에 각기 다른 가상 주소로 매핑하면서 물리 페이지는 하나만 두는 공유도 가능하다. fork의 쓰기 시 복사(copy-on-write), 파일을 메모리처럼 다루는 메모리 맵 파일(memory-mapped file)도 모두 이 가상 주소 공간 위에서 구현되는 기능이다.

면접에서 이렇게 물어본다

• 프로세스 주소 공간의 각 영역과 그곳에 저장되는 데이터를 설명해 보라.
• 스택과 힙의 성장 방향, 할당 속도, 수명 관리 방식을 비교해 보라.
• 데이터 영역과 BSS 영역을 나누는 이유는 무엇인가.
• 지역 변수의 주소를 반환하면 왜 위험한지 주소 공간 관점에서 설명해 보라.
• 스레드들이 주소 공간에서 공유하는 것과 공유하지 않는 것을 구분해 보라.