프로세스는 자원을 할당받아 프로그램이 실행되고 있는 프로그램 인스턴스이다. 프로세스는 독립된 메모리 영역을 할당받고, 효율적으로 사용할 수 있도록 구조화하여 관리한다. 할당된 메모리 영역은 아래와 같이 Code, Data, Heap, Stack 영역으로 구분된다.
프로세스가 실행 중 접근할 수 있도록 허용된 주소의 최대 범위를 프로세스 주소 공간이라고 하며, 프로세스의 주소 공간은 CPU 주소 공간*과 같다.
*CPU 주소 공간: 컴퓨터 내에 CPU가 접근 가능한 전체 메모리 공간, CPU의 주소선 개수에 따라 크기가 결정된다. 32비트 CPU는 주소선이 32개로 CPU 주소 공간의 크기는 2^32Byte = 4GB이다.
프로세스 주소 공간은 사용자 공간과 커널 공간 전체를 포함한다.
프로세스의 크기와 프로세스 주소 공간 크기는 다르다. 프로세스 주소 공간 크기는 프로세스가 액세스 할 수 있는(=커져 갈 수 있는) 전체 영역을 뜻하지만, 프로세스의 크기는 프로세스가 주소 공간 내에서 현재 사용하고 있는 코드, 데이터, 힙, 스택을 합친 크기를 뜻한다.
프로세스의 주소 공간에서 힙과 스택 영역의 크기는 정해져 있지 않고, 코드와 데이터를 뺀 나머지 공간을 둘이 합쳐 사용한다. 프로세스의 주소 공간에서 힙은 데이터 영역이 끝난 영역에서 시작하여 주소가 큰 쪽으로 커지고, 스택은 사용자 주소 공간의 끝에서 주소가 작은 쪽으로 커진다.
결론적으로, 프로세스는 운영체제에서 설정한 사용자 공간의 최대 범위까지 힙 영역과 스택 영역을 늘려갈 수 있다. 뿐만 아니라, 시스템 호출을 통해 커널 공간까지 접근 할 수 있으므로, 사용자 공간과 커널 공간을 합쳐 CPU가 액세스 할 수 있는 전체 공간이 프로세스의 주소 공간이다.
UNIX: PROCESS ADDRESS SPACE LAYOUT
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코드(Code) 영역 텍스트 영역이라고도 한다.
실행 파일 내에 구성된 코드들이 적재되는 영역으로, 프로그램을 실행시키기 위한 구성인 명령문들이 저장된다.제어문,함수,상수들이 포함된다.
CPU가 해석 가능한 기계어로 저장되고, 프로그램이 수정되면 안 되므로ReadOnly상태로 저장 되어있다. -
데이터(Data) 영역 실행 파일 내에 구성된 전역 변수들이 적재되는 영역으로, 코드의 전역변수, 정적변수 등이 저장되는 공간이다. Stack에 저장되는 변수들과 비교하면 main 함수가 실행되는 동안 메모리 상에 남아있는 변수들을 저장한다는 차이점이 있다.
데이터 영역은 크게초기화된 데이터 영역(initialized data segment)과초기화되지 않은 데이터 영역(uninitialized data segment)로 나뉜다. -
힙(Heap) 영역 프로세스의 실행중 동적으로 할당 및 해제되는, 동적 메모리 할당 영역이다. 따라서 런타임에 크기가 결정된다. 언어마다 차이가 있지만 주로 참조형 데이터(Class 등)의 데이터가 할당된다.
낮은 주소에서 높은 주소로 적재된다.
Heap 메모리 영역을 넘어서 할당하면Heap Overflow가 발생한다. -
스택(Stack) 영역 프로세스의 실행 시 사용되는 영역으로, 함수 호출시 매개변수들과 전역 변수 등을 저장한다. 함수가 종료되면 해당 함수에 의해 할당된 변수들은 메모리에서 해제된다.
높은 주소에서 낮은 주소로 할당된다.
Stack 메모리 영역을 넘어서 할당하면Stack Overflow가 발생한다.
각 영역은 저장하는 데이터의 특성에 따라 효율적으로 관리하기 위해 구분되었음을 알 수 있다.
Code 영역 의 경우 변경되지 않는 기계어 코드를 Read-Only 상태로 저장해야한다.
Data 영역 과 Stack 영역 을 구분한 이유는, Data 영역에 전역변수의 자원을 따로 저장하고 Thread들이 공유하도록 하여 효율성을 높이고, 함수와 지역 변수 등은 각 스레드마다 공간을 할당한 Stack 구조로, 사용이 종료됨에 따라 해제하는 등의 제어에 용이하다.
프로세스는 Code, Data, Heap, Stack의 메모리 영역을 독립적으로 할당받지만, 그에 속해있는 스레드는 Stack만을 각각 할당받고, 다른 영역은 공유한다고 했다.
프로세스 & 스레드 자세히 보기
이를 그림으로 살펴보면 아래와 같다.
📄https://st-lab.tistory.com/198 (실제 메모리에 저장된 내용을 디버깅하며 자세하게 설명되어있다.)
📄https://velog.io/@klm03025/운영체제-프로세스-주소-공간
📄https://oneszeroesbits.wordpress.com/2015/09/26/unix-process-address-space-layout/
📄https://velog.io/@turningtwenty/운영체제Operating-System-프로세스와-프로세스-관리