📘 16. 주소 공간

🧱 1. 초기 컴퓨터 시스템

• 물리 메모리 1개, 프로세스도 1개. 보호/가상화 없음
• 초기 컴퓨터는 단순했고, 메모리도 단일한 프로그램만 실행.
• 운영체제는 물리 메모리 앞쪽에 상주하고, 프로그램은 그 뒤에서 실행.
• 가상 메모리 없음, 보호 기능도 없음.
• 사용자도 많은 걸 기대하지 않았던 시대.

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⚙️ 2. 멀티프로그래밍과 시분할

멀티 프로그래밍

• 여러 프로세스를 번갈아 실행해 CPU 활용도 증가
• 컴퓨터가 비싸다 보니 여러 사용자가 공유 필요 → 멀티프로그래밍 등장.
• I/O 작업 중인 프로세스 대신 다른 프로세스를 실행 → CPU 활용도 증가.
• 이후 시분할(time-sharing) 개념 등장

 

시분할 시스템

• 많은 사용자가 동시에 컴퓨터 사용 → 빠른 응답 필요
• 여러 프로세스를 짧은 시간 간격으로 전환 실행
• 컴퓨터 자원의 활용도를 높이기 위해 여러 프로세스를 동시에 메모리에 올리고,
• 짧은 시간 단위로 CPU를 번갈아 할당하는 시분할 시스템이 등장. 
• 여러 사용자가 동시에 시스템 사용.
• 응답성이 중요한 대화식 시스템(interactive system) 필요.
• 초기 시분할 방식은 프로세스를 디스크에 저장했다가 복원 → 너무 느림.

➤ 해결책: 메모리에 여러 프로세스를 동시에 유지 -> 빠르게 컨텍스트 스위칭. + 보호 필요

 

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🧠 3. 주소 공간의 도입

• 여러 프로세스가 동시에 메모리에 있으면 서로 메모리에 접근할 위험 발생.
• 해결책: 주소 공간(Address Space) 개념 도입.
• 보호(protection)를 가능하게 하고, 메모리 오염을 방지함.

📌 주소 공간이란?

실행 중인 프로그램이 자신만의 독립된 메모리를 갖고 있다고 생각하도록 만든 환상
(실제로는 물리 메모리를 공유하지만 OS가 보호와 가상화로 분리된 것처럼 보이게 함)

 

📌 보호?

한 프로세스가 다른 프로세스 메모리에 접근하지 못하도록 함

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📦 4. 주소 공간의 구성 요소

프로세스는 이러한 논리적 구조의 메모리 -> 운영체제가 이를 물리 메모리에 매핑

• Code 영역: 프로그램의 명령어 (보통 read-only)
• Heap 영역: 동적 메모리 영역 (아래에서 위로) (malloc, new 등)
• Stack 영역: 함수 호출, 지역 변수 저장 (위에서 아래로)
• (추가로 데이터 영역, BSS 등도 있음)

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🧠 가상 메모리 시스템(VM)의 3대 목표

 

✅ 1. 투명성 (Transparency)

❝ 프로그램은 가상 메모리의 존재를 눈치채지 않아야 한다 ❞

• 프로세스(프로그램)는 마치 자기만의 메모리를 독점하는 것처럼 행동함
• 실제로는 여러 프로그램이 메모리를 공유하지만,
• 운영체제와 하드웨어가 뒤에서 몰래 조작해서 그렇게 보이게 만듦

📦 비유: 무대 위 배우는 혼자 연기하고 있지만,
무대 뒤 스태프들이 조명, 음향, 소품을 바꿔가며 매끄럽게 보여주는 것과 같아요.

 

 

 

✅ 2. 효율성 (Efficiency)

❝ 가상 메모리를 쓰더라도 프로그램은 느리지 않아야 하고, 공간 낭비도 없어야 한다 ❞

• 성능 저하 없이 빠르게 동작해야 함 (시간 효율)
• 가상화 기능을 위한 추가 메모리 사용도 최소화해야 함 (공간 효율)
• 이를 위해 운영체제는 TLB 같은 하드웨어 장치의 도움을 받아야 함

🧠 예:

• TLB = 주소 변환 캐시
• TLB 덕분에 주소 변환도 빠르게 처리 가능!

 

✅ 3. 보호 (Protection)

❝ 각 프로그램은 서로의 메모리를 건드릴 수 없어야 한다 ❞

• A 프로그램이 B 프로그램의 데이터를 볼 수도, 바꿀 수도 없도록 해야 함
• 사용자 프로그램이 운영체제의 메모리 영역에 접근하지 못하게 해야 함
• 즉, 프로그램마다 "자기만의 안전 구역" 안에서 실행되어야 함

🔒 이 보호 기능 덕분에 프로그램은:

• 고립(Isolation) 되고
• 악성 코드나 오류로부터 안전해져요