# 프로세스 주소 공간

> [프로세스는 CPU에 의해 실행되고, 메모리에 저장된다](process)

* `프로그램`이 실행되면 `프로세스 주소 공간`이 `메모리`에 할당(생성)되고, 할당된 프로세스를 CPU가 실행시킴
* 프로세스가 메모리를 할당받을 때, 자신만의 방법으로 메모리를 관리하기 위한 공간을 `프로세스 주소 공간`이라고 함
* 한정된 메모리를 효율적으로 사용하기 위해 스레드와 공유하는 공간을 가짐

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## 프로세스 주소 공간 영역

![](https://github.com/jmxx219/CS-Study/assets/52346113/8e722385-8f3b-4c32-8243-c07eb8c74582)

### Stack Segment(스택 영역)

함수(function)나 지역 변수(local variables) 저장(읽고 쓰기 가능)

* 호출된 함수의 수행을 마치고 **복귀할 주소** 및 **데이터**(지역변수, 매개변수, 리턴값 등)를 임시로 저장하는 공간
  * 함수 호출과 함께 할당되며, 함수의 실행이 완료되면 소멸됨
* 자료구조 Stack과 같은 LIFO(Last In First Out) 방식으로 동작함
* `컴파일 타임`에 Stack 영역의 크기가 결정되기 때문에 무한정 할당 불가능(동적으로 할당 및 해제 불가능)
* 메모리의 높은 주소에서 낮은 주소의 방향으로 할당됨
* 재귀 함수가 반복해서 호출되거나 함수가 지역변수 메모리를 초과할 정도로 많이 가지고 있을 경우, stack overflow 발생
* Stack 영역에 저장되는 변수들은 사실 Heap 영역에 위치한 실제 Object의 참조만 갖고 있음

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### Heap Segment(힙 영역)

* 프로그래머가 필요할 때마다 사용하는 메모리 영역
  * 사용자에 의해 공간이 동적으로 할당되고 해제됨
* `런타임`에 할당해야 할 메모리의 크기가 결정됨
* 메모리의 낮은 주소에서 높은 주소의 방향으로 할당됨
* 자바에서는 객체가 Heap 영역에 생성되고 [GC(Garbage Collection)](../java/garbage-collection)에 의해 정리됨

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### Data Segment(데이터 영역)

전역 변수(global variables) 같은 데이터 저장(읽고 쓰기 기능)

* 전역 변수 또는 static 변수 등 프로그램이 사용하는 데이터를 저장하는 공간
* 전역 변수 또는 static 값을 참조한 코드가 있으면, 컴파일이 완료된 후에 Data 영역의 주소값을 참조함
* 프로그램의 시작과 함께 할당되며, 프로그램이 종료되면 소멸됨
* 전역 변수가 변경될 수 있기 때문에 `Read-Write`로 되어 있음
* 초기화되지 않은 변수가 존재할 경우, BSS 영역에 저장됨
  * BSS 영역(Block Started by Symbol): 초기화 되지 않은 변수를 0으로 초기화하여 저장
  * Data 영역: 0이 아닌 다른 값으로 할당된 변수 저장

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### Code Segment(코드 영역)

프로그램의 소스 코드 저장(읽기만 가능)

* 사용자가 작성한 프로그램 함수들의 코드가 CPU에서 수행할 수 있는 기계어 명령 형태로 변환되어 저장되는 공간
* 컴파일 타임에 결정됨
* 중간에 코드를 바꿀 수 없게(프로그램이 수정되지 않도록) `Read-Only`로 되어 있음

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## 메모리 공간 분할

최대한 데이터를 공유하여 메모리 사용량을 줄이기 위해 영역을 나눔

**Code 영역**

* Code는 어느 시점에 참조하여도 Process 내부에서는 항상 같은 내용이기 때문에 따로 관리하여 공유함
* 프로그램의 코드는 프로그램이 컴파일되고 나서는 바뀌지 않음(Read Only)
  * 같은 프로그램을 실행시켜 여러 개의 프로세스가 실행되더라도 Code 부분은 항상 똑같은 내용을 가지게 됨
  * 같은 프로그램의 프로세스일 경우, Code 부분을 공유하여 메모리 사용량을 줄일 수 잇음

**Stack영역과 Data 영역**

* **역할의 분배**
* 스택 구조의 특성과 전역 변수의 활용을 위해 Stack과 Data를 분할함
  * Stack 영역을 통해 함수의 흐름을 관리하고, Data 영역(+BSS 영역)을 통해 전역변수와 static 변수 등을 관리함
* 한 프로세스가 여러 개의 스레드를 갖는 경우, 각각의 스레드는 자신만의 Stack 영역을 가지게 됨
  * 스레드 내에서 수행되는 함수의 흐름을 각각 관리하기 위함
* 각각의 스레드는 Stack 영역을 갖긴 하지만, Data 영역은 공유함
  * 각각의 스레드가 사용하기 위해 Data 영역의 동일한 내용을 공유함으로써, 똑같은 공간을 만들지 않고 메모리를 절약할 수 있음

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## Stack과 Heap

**속도**

* Stack은 CPU가 직접 관리하고 최적화하기 때문에 Heap 영역에 비해 접근 속도가 빠름
* Stack은 이미 할당된 공간을 사용하고, Heap은 따로 할당하여 사용해야하기 때문에 Stack이 Heap 영역보다 할당 속도가 빠름

**크기**

* Stack과 Heap 사이에는 미사용 공간이 존재하며, Stack과 Heap의 할당에 따라 크기가 줄어듦
  * 처음부터 Stack과 Heap 공간이 할당되는 것이 아닌, 메모리 공간이 필요한 시기에 할당됨
  * Stack은 컴파일 타임에, Heap은 런타임에 크기가 결정됨
* Stack은 생성과 동시에 크기가 정해지기 때문에 Heap 영역과 상관없이 크기의 제한을 가짐
* 앞서 Stack은 높은 주소부터, Heap은 낮은 주소부터 할당한다고 하였지만, 다른 아키텍쳐에는 반대인 경우도 있음
* 중요한 점은 각 영역을 교차시켜 배치함으로써 단순한 구현으로도 충분한 공간을 가짐

**오버플로우**

* 스택 오버플로우(Stack Overflow): 스택 영역 > 힙 영역 (스택 영역이 힙 영역을 침범하는 경우), 현재 스택 사이즈가 정해진 스택 영역 사이즈를 초과하는 경우
* 힙 오버플로우(Heap Overflow): 스택 영역 < 힙 영역 (힙 영역이 스택 영역을 침범하는 경우)

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## 스레드 주소 공간

![image](https://github.com/jmxx219/CS-Study/assets/52346113/43e9bfd1-7a11-4302-b75e-785d17fe70cd)

* 스레드가 생성되고 실행되는 동안 접근 가능한 메모리 영역으로, 프로세스 주소 공간 내에 형성됨
* 프로세스가 자원을 할당받지만, 스레드도 자신만의 자원을 가지고 있어야 함
  * 스레드도 자신만의 주소 공간을 가짐
* 각 스레드가 갖고 있는 영역은 Stack 밖에 없음
  * 나머지 공간(Code, Data, Heap)은 프로세스의 값을 함께 쓰고 있어 **다른 스레드와 공유**하고 있음
  * Data 영역에 있는 자원은 동시에 여러 스레드가 접근할 수 있음
  * 때문에 스레드 컨텍스트 스위칭시 프로세스 컨텍스트 스위칭보다 빠르게 동작

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### ref

* [Why does the stack address grow towards decreasing memory addresses?](https://stackoverflow.com/questions/4560720/why-does-the-stack-address-grow-towards-decreasing-memory-addresses)
