[OS] 메모리 주소

1. 물리 주소, 논리 주소

• 메모리는 오직 주소로만 접근할 수 있음

1.1. 물리 주소(physical address)

• 하드웨어 관점
• 물리 메모리(RAM)에 매겨진 주소, 하드웨어에 의해 고정된 메모리 주소
• 0에서 시작하여 연속되는 주소 체계
• 메모리는 시스템 주소 버스를 통해 물리 주소의 신호 받음

1.2. 논리/가상 주소(logical address/virtual address)

• 프로세스 관점
• 개발자나 프로세스가, 프로세스 내에서 사용하는 주소, 코드나 변수 등에 대한 주소
• CPU가 프로세스를 실행하는 동안 다루는 모든 주소는 논리 주소
• 프로세스 내에서 매겨진 상대 주소 ~ 0에서 시작하여 연속되는 주소 체계
  • 프로그램에서 변수 n의 주소가 100번지라면, 논리 주소가 100이고, 물리 주소를 알 수 없음, 실제 메모리의 주소 아님
• 컴파일러와 링커에 의해 매겨진 주소
  • 실행 파일에 내에 만들어진 이진 프로그램의 주소들은 논리 주소로 되어 있음
• 사용자나 프로세스는 결코 물리 주소를 알 수 없음
• 메모리 접근 시 상대 주소를 사용하면 절대 주소로 변환해야 함 → MMU의 개념

1.3. Address binding

• 프로그램이 메모리 어느 위치에, 즉 어떤 물리적 위치에 Load될지 경정하는 과정
  • Compile-time binding: 프로세스의 물리적 주소가 컴파일 타임에 정해짐
    • 물리주소 == 논리주소 → 같은 주소를 쓰는 프로세스가 있다면?? 적재 불가능. 매우 비효율
  • Load-time binding: Loader가 프로세스를 load 하는 시점에 물리적 주소 결정 (Relocatable)
    • 바꿔야할 주소가 많다면? 로딩에 부담!
  • Run-time binding: 프로세스가 수행이 시작된 이후에 프로세스가 실행될 때 메모리 주소를 바꿈
    • Runtime때 물리적 주소가 결정
    • MMU(Memory Management Unit)

2. MMU(Memory Management Unit)

• 논리 주소를 물리주소로 바꾸는 하드웨어 장치
  • CPU가 발생시킨 논리 주소는 MMU에 의해 물리 주소로 바뀌어 메모리에 도달
• 오늘날 MMU는 CPU 안에 내장되어 있음
  • 인텔이나 AMD의 x86 CPU는 80286부터 MMU를 내장함
  • MMU 덕분으로, 여러 프로세스가 하나의 메모리에서 실행되도록 되었음

2.1. 상대주소에서 물리주소로의 변환

• 메모리 관리자는 사용자 프로세스가 상대 주소를 사용하여 메모리에 접근할 때마다 상대 주소값에 Base 레지스터 값을 더하여 절대 주소를 구함
• Base 레지스터
  • 주소 변환의 기본이 되는 주소값을 가진 레지스터
  • 메모리에서 사용자 영역의 시작 주소값이 저장 (접근할 수 있는 물리적 주소의 최소값)
• Limit 레지스터
  • 메모리 관리자는 사용자가 작업을 요청할 때마다 경계 (상한)을 벗어나는 작업을 요청하는 프로세스가 있으면 그 프로세스를 종료

구분	절대 주소	상대 주소
관점	메모리 관리자 입장	사용자 프로세스 입장
주소 시작	물리 주소 0번지부터 시작	물리주소와 관계 없이 항상 0번지부터 시작
주소 공간	물리 주소(실제 주소) 공간	논리 주소 공간

3. 주소 변환

• 프로세스의 모든 코드들은 논리 주소로 구성
• CPU가 읽고 해석하고 발생시키는 주소는 모두 논리 주소
• 논리 주소와 물리 주소의 매핑 테이블 있음
• MMU를 거쳐 논리주소가 물리 주소로 바뀌어 출력
• MMU는 매핑 테이블을 이용하여 주소 변환

4. 메모리 오버레이

• 가상 메모리 공간
  • 각 프로세스는 자신이 모든 메모리를 점유하고 있는 것 처럼 생각한다.
  • 실제 할당된 공간은 작음
    • 프로세스가 실제 필요한 공간보다 물리공간이 더 작을 수 있음.
• 메모리 오버레이
  • 프로그램의 크기가 실제 메모리(물리 메모리)보다 클 때 전체 프로그램을 메모리에 가져오는 대신 적당한 크기로 잘라서 가져오는 기법
  • 프로그램이 실행되면 현재 필요한 부분만 메모리에 올라와 실행 → 바꿔가면서 (Swap)
  • 한정된 메모리에서 메모리보다 큰 프로그램 실행 가능
  • 프로그램 전체가 아니라 일부만 메모리에 올라와도 실행 가능

4.1. Swap

• Swap area
  • 메모리가 모자라서 쫓겨난 프로세스를 저장장치의 특별한 공간에 모아두는 영역
  • 메모리에서 쫓겨났다가 다시 돌아가는 데이터가 머무는 곳이기 때문에 저장장치는 장소만 빌려주고 메모리 관리자가 관리
  • 사용자는 실제 메모리의 크기와 스왑 영역의 크기를 합쳐서 전체 메모리로 인식하고 사용
• Swap in, swap out
  • 빈번하게 왔다갔다 단편화 문제 발생 → 성능 문제
• 윈도우에서는 가상메모리라고 표현
  • pagefile.sys, swapfile.sys 등 파일로 저장함
• 리눅스에서는 스왑파티션이라고 표현함

5. 메모리 보호 기법

• CPU는 사용자 모드에서 생성된 모든 메모리 액세스를 확인하여 해당 사용자의 기본값과 제한값 사이에 있는지 확인해야 함
  • 하드웨어(MMU)의 지원을 받음
• 프로세스의 논리적 주소 공간을 정의하는 Base register와 Limit register를 사용하여 접근 보호 기능
  • 이들을 벗어나는 주소 공간을 접근하면 에러 발생

5.1. ASLR

• ASLR(Address Space Layout Randomization)라고 함
• 메모리 주소가 누출되는 일은 보안상 매우 위험한 일!
  • 임의의 코드 실행 → 그 코드가 system 함수라면? → 뭐든 다 할 수 있다.
• 주소 공간의 랜덤 배치
  • 프로세스의 주소 공간 내에서 스택이나 힙, 라이브러리 영역의 랜덤 배치
  • 직접적인 메모리 참조가 힘들어짐
    • 실행할 때마다 이들의 논리 주소가 바뀌게 하는 기법.
  • 실행할 때마다 함수의 지역 변수와 동적 할당 받는 메모리의 논리 주소가 바뀜