13. The Abstractoin: Address Space

이 글의 사진과 내용은 공룡책 과 컴퓨터학부 수업인 운영체제 강의자료를 기반으로 작성했습니다.

Prologue

하지만 최근 컴퓨터에서는 여러 개의 프로그램을 동시에 실행하기 때문에 초기 컴퓨터의 메모리 구성으로는 활용성(utilization)과 효율성(efficiency)이 부족해서 더 이상 사용할 수 없었다.
그래서 해결방안으로 Time Sharing 기법을 사용하여 여러 개의 프로그램을 실행하도록 메모리 구성을 다음과 같이 바꿨다.

하나의 메모리 공간에서 여러 개의 프로세스(multiple processes)가 실행할 수 있도록 메모리 안에 프로세스가 사용할 수 있는 공간을 나눴다.
그래서 하나의 메모리 공간에서 여러 개의 프로세스가 전환이 되므로 활용성과 효율성이 증가하게 되었다.
하지만 여러 개의 프로세스들이 한 번에 메모리에 접근하면, 기존에 실행 중인 프로세스에 접근할 수 있기 때문에 보안상 문제가 발생할 수 있다.

Address space(주소 공간)은 OS가 실제 메모리를 추상화(abstraction) 해서 현재 실행 중인 프로그램(process)에게 나눠 주는 것을 의미한다.

예를 들어, OS가 실제 메모리를 추상화해서 Process A에게 주소 공간을 나눠준다.
이때, Process A는 추상화된 주소 공간(가상 주소 공간)에서는 0~64KB라는 주소를 가지고 있고 0KB에 접근하지만, 실제 메모리(Physical memory)에서는 320 ~ 384KB라는 주소를 가지고 320KB에 접근한다.
여기서 중요한 점은 OS가 Process A에게 특정 주소의 메모리에 Load 되고 잠재적으로 매우 큰 주소 공간을 가지고 있다고 착각하게 만드는 것이 메모리 가상화의 핵심이다.

Address space 안에는 Program code, Heap, Stack 그리고 etc 등이 있다.
- Program code : Data 영역을 포함하며, static 변수, 전역 변수가 저장되는 공간이다.
- Heap : new() 또는 malloc()을 사용한 동적 할당된 데이터가 저장되는 공간이다.
- Stack : 함수를 호출하여 위치를 추적할 수 있도록 return address 또는 values 가 저장되는 공간이다. 지역 변수도 포함된다.
현실적으로 하나의 프로세스가 전체의 메모리를 차지하지 않는다.
그러므로 추상화는 OS가 메모리를 가상화(virtualize)하기 위해 필요하다. OS가 실제 메모리를 추상화함으로써 여러 개의 프로그램을 동시에 실행할 수 있기 때문이다.
Virtual address는 Logical address라고 부르기도 하며, CPU에 의해 만들어진 주소를 의미한다.
Physical address는 메모리 장치에 의해 만들어진 주소이며, OS가 관리한다.

프로그래밍에서의 사용이 편리하다.
Transparency(투명성) : OS가 실행 중인 프로그램이 메모리가 가상화되는지 알지 못하도록 착각하게 만들어야 한다. 프로그램은 마치 자신에게 하나의 독립적인 실제 메모리가 있는 것처럼 작동해야 한다.
Efficiency(효율성) : OS는 시간(times)과 공간(space)의 면에서 메모리를 효율적으로 사용해야 한다. 성능에 부정적으로 영향을 미치지 않도록 시간을 정하고, 가상화를 위한 최소한의 공간을 발생시키도록 공간을 정해야 한다. 이러한 효율성을 위해 OS는 TLB와 같은 하드웨어 지원을 받아야 한다.
Protection(보호) : OS는 프로세스들로부터 프로세스를 보호하고 OS 자신도 프로세스로부터 보호해아한다.