[OSTEP] 16. 세그멘테이션 (Segmentation)

1. 세그멘테이션: 베이스/바운드의 일반화#

세그멘테이션의 핵심 아이디어는 베이스/바운드 쌍을 논리적 세그먼트(Segment)마다 따로 두는 것입니다. 이를 통해 주소 공간 전체가 아닌, 실제로 사용 중인 부분만 물리 메모리에 매핑할 수 있습니다.

일반적인 주소 공간은 다음 3개의 논리적 세그먼트로 나뉩니다.

1. 코드(Code): 명령어 집합 (읽기 전용)
2. 힙(Heap): 동적 데이터 (아래로 성장)
3. 스택(Stack): 지역 변수 및 함수 컨텍스트 (위로 성장)

운영체제는 이 세그먼트들을 물리 메모리의 각기 다른 위치에 독립적으로 배치합니다. 결과적으로 스택과 힙 사이의 빈 공간은 물리 메모리를 차지하지 않게 되어 메모리 효율이 획기적으로 개선됩니다.

Figure 16.2: 물리 메모리에 배치된 세그먼트들. 논리적으로 연속된 주소 공간이 물리 메모리에서는 불연속적으로, 필요한 크기만큼만 할당되어 있다.

2. 주소 변환 메커니즘 (Address Translation)#

세그멘테이션 환경에서 하드웨어는 가상 주소를 어떻게 물리 주소로 변환할까요? 이제 가상 주소는 세그먼트 식별자와 오프셋으로 해석됩니다.

3. 스택(Stack)의 처리: 음수 방향 성장#

스택은 다른 세그먼트와 달리 높은 주소에서 낮은 주소로(Backwards) 자라납니다. 이를 지원하기 위해 하드웨어는 추가적인 정보가 필요합니다.

• 성장 방향 비트 (Grows Positive?): 1이면 양의 방향(힙, 코드), 0이면 음의 방향(스택)으로 성장함을 의미합니다.

스택의 경우 물리 주소 변환 방식이 조금 다릅니다. 스택은 세그먼트의 끝에서부터 거꾸로 자라기 때문에, 오프셋을 음수(Negative Offset) 로 계산해야 합니다. 이때 스택의 베이스 레지스터는 세그먼트의 시작이 아닌 물리적 끝(높은 주소) 을 가리키게 됩니다.

$\text{Offset} = \text{VirtualAddress\ Offset} - \text{Max\ Segment\ Size}$ $\text{PhysicalAddress} = \text{Base} + \text{Offset}$

예를 들어 4KB 크기의 스택 세그먼트에서 3KB 지점에 접근한다면, 오프셋은 $3KB - 4KB = -1KB$가 되며, 이를 베이스 주소(높은 주소)에서 뺍니다.

4. 공유와 보호 (Sharing & Protection)#

세그멘테이션은 메모리 효율성뿐만 아니라 공유(Sharing) 의 이점도 제공합니다. 특히 코드 세그먼트는 읽기 전용(Read-Only)이므로, 여러 프로세스가 동일한 물리 메모리상의 코드를 공유하여 메모리를 절약할 수 있습니다.

이를 위해 하드웨어는 세그먼트 레지스터에 보호 비트(Protection Bits) 를 추가합니다.

• Read-Execute: 코드 세그먼트 (공유 가능)
• Read-Write: 힙, 스택 세그먼트 (프로세스별 전용)

만약 읽기 전용인 코드 세그먼트에 쓰기(Store)를 시도하면, 하드웨어는 보호 오류를 발생시켜 OS에게 알립니다.

5. 세분화(Fine-grained) vs 광역(Coarse-grained)#

• 광역 세그멘테이션 (Coarse-grained): 우리가 지금까지 살펴본 것처럼 주소 공간을 코드, 힙, 스택 등 큼직한 몇 개의 단위로 나누는 방식입니다.
• 세분화 세그멘테이션 (Fine-grained): 초기 시스템(예: Burroughs B5000)처럼 주소 공간을 매우 잘게 쪼개어 수많은 세그먼트로 관리하는 방식입니다. 이 경우 세그먼트 정보를 레지스터가 아닌 메모리상의 세그먼트 테이블에 저장해야 합니다.

6. 운영체제의 역할과 새로운 문제#

세그멘테이션은 내부 단편화 문제를 해결했지만, 외부 단편화(External Fragmentation) 라는 새로운 난제를 가져왔습니다.

7. 요약 (Summary)#

세그멘테이션은 드문드문한(Sparse) 주소 공간을 효율적으로 지원하기 위해 도입되었습니다.

• 장점: 내부 단편화 해결, 코드 공유 용이, 동적 스택/힙 성장 지원.
• 단점: 가변 크기 할당으로 인한 외부 단편화 발생.

결국 가변 크기의 세그먼트를 관리하는 것은 근본적으로 복잡합니다. 그래서 현대 OS는 메모리를 고정 크기 단위로 관리하는 페이징(Paging) 기법을 사용하게 됩니다. 다음 장에서 그 내용을 다룹니다.

8. 용어 정리#

• 세그멘테이션(Segmentation): 주소 공간을 논리적 단위(코드, 힙, 스택)로 나누어 물리 메모리에 비연속적으로 할당하는 기법.
• 내부 단편화(Internal Fragmentation): 할당된 공간 내부에서 사용되지 않고 낭비되는 메모리.
• 외부 단편화(External Fragmentation): 전체 빈 공간은 충분하지만, 연속되지 않아서 할당할 수 없는 상태.
• 보호 비트(Protection Bits): 세그먼트별로 읽기/쓰기/실행 권한을 설정하여 불법적인 접근을 막는 비트.
• 압축(Compaction): 메모리 단편화를 해결하기 위해 사용 중인 메모리 블록들을 이동시켜 빈 공간을 합치는 작업.

Reference#

• Operating Systems: Three Easy Pieces - Chapter 16: Segmentation