메모리 영역과 메모리 구조

😞 서론

Visual Studio Code를 키고 코딩을 시작할려고 하다가, 문득 궁금증이 생겼다. 우리 눈에 보이지 않게 뒤에서 열심히 일해주고 있는 컴퓨터의 모습이 말이다...

 

지금 우리가 프로그램을 실행시키고 싶을때는 일일히 컴퓨터에게 힘들게 이진법으로 따로 명령을 하지 않아도 마우스로 실행시키고자 하는 프로그램을 더블 클릭 하면 컴퓨터는 우리가 하고 싶어하는 것을 알아들어 즉시 프로그램을 나의 모니터에 띄워준다. 너무 신기한 거 같다.

 

우리가 프로그램을 실행하면 그 프로그램은 메모리 위에 올라가게 되고, 프로그램에 대한 정보를 메모리에 저장한다. 그래서 오늘은 이 메모리 라는분에 대해서 좀 공부해볼려고 한다.

 

⛳메모리 영역

메모리 영역

 

다음 사진과 같이 메모리 영역은 4가지로 나뉜다.

 

👉 텍스트(Text) 영역 👉 데이터(Data) 영역 👉 스택(Stack) 영역 👉 힙(Heap) 영역

 

⛳Frist, 코드(Code) 영역 or 텍스트(Text) 영역

우리가 실행하게 될 프로그램의 코드가 저장될 영역이다. CPU는 코드 영역에 저장된 명령어를 가져가면서 하나씩 처리를 시켜준다. 

 

⛳Second, 데이터(Data) 영역

전역 변수, 정적 변수가 저장되는 영역으로, 프로그램의 시작과 함께 할당되고, 프로그램의 종료와 함께 소멸된다. 데이터 영역은 2가지로 나눠질 수 있다.

 

(1) Initialized Data Segment(초기화된 데이터영역) : 데이터가 할당이 된 변수
(2) Uninitialized Data Segment(초기화된 데이터영역) : 선언만 된 변수

 

여기서 (2)번을 BBS(Block started By Symbol)로 부르기도 한다.

 

⛳Third, 스택(Stack) 영역

함수가 실행될 때 매개 변수, 지역 변수를 저장하는 영역이고, 함수의 호출과 함께 할당되고, 함수의 종료와 함께 소멸된다. 또한 이렇게 함수를 차곡차곡 쌓아놓고 실행되는 공간을 스택 프레임(Stack Frame)이라고 한다.

 

스택은 LIFO(Last-Input First-Out) 방식을 사용하는데, 이는 가장 나중에 입력된 값이 가장 먼저 출력된다는 의미를 가지고 있다.

메모리 주소는 높은 곳에서 낮은 곳의 방향으로 할당이 된다. 

여기서 메모리 주소가 낮다, 높다가 나타내는 뜻은 말 그대로 주소값이 낮다 높다를 나타내는 것이다. 사실 이쪽 부분은 너무 복잡하기 때문에...그냥 넘어가겠다..

 

⛳Fourth, 힙(Heap) 영역

사용자가 관리하는 메모리 영역으로, 사용자가 메모리를 할당하고 해제한다. 예를 들어 C언어에서 배열을 하나 만들어 출력하고자 한다면, 우리는 그 배열의 크기를 사전에 미리 정의 해줘야 한다. 이와 같은 개념이라고 생각하면 편할 것이다.

 

힙 영역은 낮은 주소에서 높은 주소로 할당이 되고, 데이터 영역과 스택 영역은 컴파일 타임에 미리 결정되지만 힙 영역은 런타임에 사용자가 직접 결정하게 된다. 이를 메모리 동적 할당이라고 한다.

 

런타임은 컴파일이 끝나고 사용자가 프로그램을 시작하는 시점을 의미한다.

🏅 메모리 주소

우리가 사용하고 있는 운영체제는 32비트와 64비트로 나눠져 있다. 이것들은 데이터 처리 단위를 나타낸다.

 

32비트는 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 과 같이 나타낼 수 있다. 이 32비트에서 나타낼 수 있는 모든 데이터 처리 단위에 경우의 수는 2³² 이다. 또한 하나의 주소가 32비트 이므로 4byte의 길이를 가지게 되고, 1byte의 크기를 4,294,967,296 개의 주소를 가리킬 수 있게 된다. 그리고 이는 4GB를 나타내게 된다.

64비트에서 나타낼 수 있는 데이터 처리 단위에 경우의 수는 무려 2⁶⁴ 이 된다. 이는 8byte의 길이를 가질 수 있게 된다. 또한 18,446,744,073,709,551,616 개의 주소를 가리 킬 수 있고, 이는 16EB이다. 당장 단위만 봐도 엄청난 크기의 메모리를 가지고 있다...

 

보통은 2진수로 표현하기 귀찮고 어렵기 때문에 16진수로 치환시킨다.

 

메모리 주소

 

가장 첫번째에 올려놨던 사진과 같이 코드 영역이 가장 메모리 주소가 낮고, 데이터 영역 (초기화가 된 변수들이 가장 먼저 메모리에 할당되고, 그 다음으로 초기화가 되지 않은 메모리가 올려진다.) , 힙 영역, 스택 영역 순으로 메모리 주소가 지정이 된다.

 

한번 실전으로 가보자.

#include <stdio.h>

int main() {
  int a = 25;
  printf("%p", &a);
  return 0;
}

다음과 같이 변수 a의 주소를 가르키는 프로그램이 있다. 그리고 a의 메모리 주소를 출력한다면

결과

다음과 같이 출력된다. 해당 a를 2진법으로 하면 0001 1001로 표현이 가능하다. 이러한 2진법이 위의 메모리 주소에 저장이 되있는 것이다. 메모리 한칸의 크기는 1byte이다. 우리가 출력하는 a는 int 라는 자료형을 가지고 있으므로 4byte를 가지고, 그래서 해당 메모리 주소에서 총 4칸의 크기를 차지하게 된다.

 

0x7ffe4522f378 - 0001 1001
0x7ffe4522f379 - 0000 0000
0x7ffe4522f380 - 0000 0000
0x7ffe4522f381 - 0000 0000

 

실질적으로 a는 이런 식으로 저장이 되있는 것이다. (실행 환경이 64비트로 과정했을 때, 7 앞에 메모리 주소 0들은 모두 생략이 가능하다.)