[OSTEP] 13. 주소 공간의 개념 (The Abstraction: Address Spaces)

1. 초기 시스템과 멀티프로그래밍#

2. 핵심 추상화: 주소 공간 (Address Space)#

이 문제를 해결하기 위해 OS는 주소 공간(Address Space) 이라는 개념을 도입합니다.

NOTE

주소 공간: 실행 중인 프로그램이 보기에 자신이 독점하고 있는 메모리의 모습

실제 물리 메모리는 수많은 프로세스가 공유하고 있지만, OS는 각 프로세스에게 “네가 이 메모리를 다 쓰고 있어” 라는 환상을 심어줍니다.

Figure 13.3: 일반적인 주소 공간의 구조 (Code, Heap, Stack)

일반적인 주소 공간은 다음 세 가지 요소로 구성됩니다.

1. 코드(Code): 명령어(Instruction)가 저장되는 영역입니다. 크기가 고정(Static)되어 있으므로 주소 공간의 상단에 위치합니다.
2. 힙(Heap): malloc() (C) 또는 new (Java/C++) 등을 통해 동적으로 할당되는 메모리입니다. 상단(코드 직후)에서 시작하여 아래로 확장됩니다.
3. 스택(Stack): 함수 호출 체인, 지역 변수, 리턴 주소 등이 저장되는 영역입니다. 주소 공간의 하단에서 시작하여 위로 확장됩니다.

3. 메모리 가상화 (Virtualizing Memory)#

메모리 가상화의 핵심 원리는 다음과 같습니다.

NOTE

사용자 프로그램이 보는 모든 주소는 가상 주소(Virtual Address)이다.

C 프로그램에서 포인터 주소를 출력했을 때 나오는 값은 실제 물리 메모리의 주소(Physical Address)가 아닙니다.

1. 프로세스가 가상 주소(예: 0번지)에 접근을 시도합니다.
2. OS와 하드웨어가 개입하여 이 가상 주소를 실제 데이터가 위치한 물리 주소로 변환합니다.
3. 이를 통해 프로세스는 자신이 메모리를 독점하는 것처럼 느끼지만, 실제로는 OS가 물리 메모리를 여러 프로세스에 나누어 관리합니다.

4. 메모리 가상화의 목표 (Goals)#

OS가 메모리를 가상화할 때 달성해야 하는 세 가지 주요 목표는 다음과 같습니다.

5. 요약 (Summary)#

13장에서는 메모리 가상화의 기본 개념을 다루었습니다. OS는 주소 공간이라는 추상화를 통해 프로그램에게 사용하기 쉬운 메모리 뷰를 제공하고, 내부적으로는 주소 변환(Address Translation) 메커니즘을 통해 물리 메모리를 효율적이고 안전하게 관리합니다.

다음 장부터는 이 가상화를 실제로 구현하기 위한 기법들(베이스/바운드 레지스터, 세그멘테이션, 페이징 등)을 순차적으로 살펴볼 예정입니다.

6. 용어 정리#

• 주소 공간(Address Space): 실행 중인 프로그램이 인식하는 메모리의 추상화된 범위.
• 가상 주소(Virtual Address): 프로그램이 참조하는 논리적인 주소. OS에 의해 물리 주소로 변환됨.
• 물리 주소(Physical Address): 실제 하드웨어 메모리 상의 주소.
• 투명성(Transparency): 가상화 시스템이 사용자에게 드러나지 않고 투명하게 동작하는 성질.
• 격리(Isolation): 프로세스가 서로의 메모리에 간섭하지 못하도록 분리하여 시스템 신뢰성을 높이는 원칙.

Reference#

• Operating Systems: Three Easy Pieces - Chapter 13: The Abstraction: Address Spaces
• Operating Systems: Three Easy Pieces - Dialogue on Memory Virtualization