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프로세스 가상 주소 공간 — heap·stack·mmap 영역과 물리 메모리

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tags학습, 개발-cs, cs기초, 운영체제, 가상메모리, 가상주소공간, heap, stack, mmap, demand-paging, aslr

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프로세스 가상 주소 공간 — heap·stack·mmap 영역과 물리 메모리

NOTE

“프로세스가 뜰 때 메모리를 할당받는다”는 말이 실제로는 무슨 뜻인지, heap·stack·mmap 영역이 어디에 어떻게 놓이는지, 그리고 가상 주소 공간(자리)과 물리 메모리(RAM)가 왜 별개인지를 정리한다. 공유메모리·malloc·메모리 사용량(VSZ/RSS)을 이해하는 공통 전제다.

상위 허브: 공유메모리 한눈에 보기

0. 먼저 바로잡을 오해

흔한 생각실제
프로세스가 뜰 때 정해진 크기의 메모리를 받는다주소 공간(자리)만 준비한다. 물리 메모리(RAM)는 쓰는 순간 페이지 단위로 올라온다.
공유메모리는 기동 때 받은 메모리 안에서 잡힌다아직 비어 있던 가상 주소 구간에 새로 “표시”되는 것이다.
공유메모리가 heap 안에 생긴다heap이 아니라 mmap 영역(heap과 stack 사이의 빈 공간)에 생긴다.
mmap을 하면 heap이나 stack이 그만큼 줄어든다64비트에서는 사실상 줄지 않는다. 빈 공간이 압도적으로 크다.
공유메모리 100MB를 3개 프로세스가 붙이면 RAM 300MB를 쓴다가상 구간은 각자 100MB지만 물리 RAM은 100MB 한 번만 쓴다.

1. 가상 주소 공간의 배치

프로세스는 자기만의 가상 주소 공간을 가진다. 64비트 리눅스(x86-64)에서 유저 영역은 약 128TB(47비트)다. 그중 실제로 “표시”된 구간은 몇 MB 수준이고 나머지는 주소 번호만 있고 접근하면 SIGSEGV가 나는 빈 공간이다.

높은 주소
 ┌────────────────────────────┐
 │ 커널 영역 (유저 접근 불가)  │
 ├────────────────────────────┤
 │ stack                      │  ← 지역변수·함수 호출. 아래(낮은 주소)로 자람
 │   ↓                        │     한도: ulimit -s (보통 8MB)
 │                            │
 │ ▒▒ mmap 영역 ▒▒            │  ← 공유 라이브러리, 공유메모리, 큰 malloc
 │   ↓ (보통 아래로 배치)      │
 │                            │
 │   ┈┈┈ 거대한 빈 공간 ┈┈┈    │  ← 주소만 존재, 아무것도 안 잡힘 (수십 TB)
 │                            │
 │   ↑                        │
 │ heap                       │  ← malloc의 기본 영역. 위(높은 주소)로 자람 (brk)
 ├────────────────────────────┤
 │ data / bss                 │  ← 전역·static 변수
 │ text                       │  ← 코드
 └────────────────────────────┘
낮은 주소 (0 근처)
영역무엇이 들어가나자라는 방향한도
text실행 코드 (읽기 전용)고정파일 크기
data / bss전역·static 변수고정프로그램이 정함
heapmalloc으로 받은 메모리(기본)높은 주소 쪽으로빈 공간이 있는 한
mmap 영역공유 라이브러리, 공유메모리, 파일 매핑, 큰 malloc보통 아래로(top-down)빈 공간이 있는 한
stack지역변수, 리턴 주소낮은 주소 쪽으로ulimit -s

C/Java 비교

  • C: malloc은 heap(작은 크기) 또는 mmap 영역(큰 크기, glibc 기본 약 128KB 이상)에서 받는다. 주소와 영역을 직접 다룰 수 있다.
  • Java: JVM이 시작할 때 -Xmx 만큼의 가상 주소를 크게 예약하고, 그 안에서 heap을 관리한다. 개발자는 영역 배치를 볼 일이 없다. “-Xmx를 크게 잡았는데 RSS는 작다”는 현상이 이 원리(가상 예약 ≠ 물리 사용) 그대로다.

2. 기동 시 실제로 일어나는 일

exec로 프로그램이 시작되면 커널은 다음만 한다.

  1. 실행 파일의 text/data 구간을 파일 매핑으로 표시한다 (내용을 RAM에 다 읽지 않는다).
  2. 작은 초기 stack을 만들고 heap 시작점을 정한다.
  3. 나머지는 전부 빈 공간으로 둔다.

그 뒤로 프로그램이 malloc, mmap, shmat 등을 부를 때마다 빈 공간 일부에 “여기는 이제 내 구간”이라는 표시(커널 내부의 VMA 목록)가 추가된다.

mmap 호출 전:  [text|data|heap ┈┈┈┈┈┈┈┈ 빈 공간 ┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈ stack]
mmap 호출 후:  [text|data|heap ┈┈┈┈ ▒공유메모리▒ ┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈ stack]
                                    ↑ 빈 공간에 이름표만 붙임 (heap/stack은 그대로)

3. 가상 주소와 물리 메모리는 별개 — Demand Paging

구간을 표시했다고 RAM이 차지되는 것이 아니다. 처음 접근하는 순간 CPU가 “이 가상 페이지에 대응하는 물리 페이지가 없다”는 페이지 폴트를 내고, 커널이 그때 물리 페이지(보통 4KB)를 하나 붙여 준다.

sequenceDiagram
    participant P as 프로세스
    participant K as 커널
    participant R as RAM
    P->>K: mmap(100MB)
    K-->>P: 주소 반환 (구간 표시만, RAM 0)
    P->>P: p[0] = 'A' (첫 접근)
    P->>K: 페이지 폴트
    K->>R: 4KB 물리 페이지 할당
    K-->>P: 재실행 (정상 쓰기)
    Note over P,R: 안 건드린 나머지는 RAM을 차지하지 않음
가상 주소 공간물리 메모리(RAM)
기동 시약 128TB가 “주소로서” 존재, 몇 개 구간만 표시거의 없음
mmap/malloc 시빈 구간에 표시 추가접근한 페이지만 올라옴
크기 제약사실상 거의 없음RAM 총량

그래서 ps로 보면 VSZ(가상 크기)가 수 GB여도 RSS(실제 물리 사용)는 훨씬 작은 경우가 흔하다.

ps -o pid,vsz,rss,cmd -p <pid>    # VSZ=가상, RSS=실제 물리 (KB)
cat /proc/<pid>/maps              # 이 프로세스가 표시해 둔 구간 목록

/proc/<pid>/maps 예 (일부):

00400000-00452000 r-xp ... /usr/bin/myapp        ← text
01a3c000-01a5d000 rw-p ... [heap]                ← heap
7f3a10000000-7f3a14000000 rw-s ... /dev/shm/myshm ← 공유메모리 (s = shared)
7f3a2c000000-7f3a2c1c0000 r-xp ... /lib/libc.so.6 ← 공유 라이브러리
7ffd8a3f0000-7ffd8a411000 rw-p ... [stack]        ← stack

권한 열의 마지막 글자가 s면 공유(MAP_SHARED), p면 비공유(private) 매핑이다.

4. 영역끼리 서로 뺏지 않나?

환경상황
64비트128TB에 비해 실사용이 극히 작아 heap과 mmap 영역 사이에 수십 TB가 남는다. 공유메모리 100MB를 붙였다고 heap이 줄어드는 일은 사실상 없다.
32비트주소 공간이 3~4GB뿐이라 mmap 영역을 크게 잡으면 heap이 쓸 자리가 실제로 모자라 malloc이 실패할 수 있다. 레거시 32비트 환경에서 큰 공유메모리를 잡을 때 주의하는 이유다.

ASLR — 위치가 실행마다 달라진다

ASLR(주소 공간 배치 무작위화)이 켜져 있으면 heap·stack·mmap 영역의 시작 위치를 실행할 때마다 랜덤하게 바꾼다. 그래서 같은 공유메모리 세그먼트를 붙여도 프로세스마다, 실행마다 받는 주소가 다르다. 이것이 공유메모리 안에 포인터 대신 오프셋을 저장해야 하는 이유 중 하나다 (→ mmap 노트).

5. heap의 malloc vs mmap 영역 비교

malloc(heap)mmap(공유메모리 포함)
위치heap 영역 (작은 크기 위주)mmap 영역
소유그 프로세스 하나대상에 따라 다른 프로세스와 공유 가능
해제free(p)munmap(p, len) — free를 쓰면 크래시
다른 프로세스 접근불가 (주소 공간 분리)MAP_SHARED면 가능
소유권 개념동적 할당 소유권 참고생성자가 삭제 책임 (→ 세그먼트 노트)

6. 한눈에 정리

질문답
기동 시 메모리를 정해진 크기만큼 주나아니요. 가상 주소 공간(자리)만 준비, 물리 메모리는 쓸 때 올림
가상 주소 공간 크기64비트 리눅스 유저 영역 약 128TB (실사용은 극히 일부)
mmap/공유메모리가 생기는 곳heap이 아니라 heap과 stack 사이 mmap 영역 (빈 공간 일부를 표시)
heap·stack이 줄어드나64비트: 사실상 아님 / 32비트: 부딪힐 수 있음
물리 메모리는가상 구간 크기와 무관, 접근한 페이지만 (demand paging)
주소가 프로세스마다 다른 이유가상 주소 + ASLR. 같은 물리 페이지를 서로 다른 가상 주소로 볼 수 있음

관련 문서

그래프 뷰

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