# 메모리 구조

## 개요

메모리 구조(Memory Layout)는 컴퓨터 시스템에서 프로그램이 실행될 때 메모리가 어떻게 구성되고 사용되는지를 설명하는 개념이다. 프로그램이 메모리에 적재되면, 그 프로그램은 여러 영역으로 나뉘어 데이터와 코드를 저장하며, 각 영역은 특정한 목적과 생명 주기를 가진다. 메모리 구조를 이해하는 것은 시스템 프로그래밍, 성능 최적화, 보안 취약점 분석(예: 버퍼 오버플로우) 등에 매우 중요하다.

이 문서에서는 일반적인 프로세스 메모리 레이아웃을 구성하는 주요 영역들을 설명하고, 각 영역의 역할과 특징을 다룬다. 본 내용은 주로 유닉스 계열 운영체제(Unix-like OS)와 C 언어 기반의 실행 환경을 기준으로 한다.

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## 메모리 레이아웃의 주요 구성 요소

프로세스가 실행될 때 운영체제는 해당 프로세스를 위한 가상 메모리 공간을 할당하며, 이 공간은 다음과 같은 주요 영역으로 나뉜다:

1. **텍스트 영역 (Text Segment)**
2. **초기화된 데이터 영역 (Initialized Data Segment)**
3. **초기화되지 않은 데이터 영역 (BSS Segment)**
4. **힙 (Heap)**
5. **스택 (Stack)**

이들 영역은 일반적으로 아래에서 위로 또는 위에서 아래로 확장되며, 시스템 아키텍처와 운영체제에 따라 배치 순서가 다를 수 있다.

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### 텍스트 영역 (Text Segment)

- **용도**: 프로그램의 실행 가능한 명령어(기계어 코드)를 저장한다.
- **특징**:
  - 읽기 전용(read-only)이며, 실행 권한이 부여된다.
  - 여러 프로세스가 동일한 프로그램을 실행할 경우, 이 영역은 공유될 수 있다.
  - 컴파일 시 결정되며, 실행 중에 변경되지 않는다.
- **예시**: `main()` 함수, 사용자 정의 함수 등의 기계어 코드가 저장됨.

```c
int main() {
    printf("Hello, World!\n");
    return 0;
}
```
위 코드의 컴파일 결과는 텍스트 영역에 저장된다.

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### 초기화된 데이터 영역 (Initialized Data Segment)

- **용도**: 프로그램 시작 전에 초기값이 지정된 전역 변수와 정적 변수를 저장한다.
- **특징**:
  - 읽기/쓰기 가능하며, 프로그램 로딩 시 초기값이 메모리에 복사된다.
  - `.data` 섹션으로도 불린다.
- **예시**:
```c
int global_var = 10;
static int static_var = 20;
```

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### 초기화되지 않은 데이터 영역 (BSS Segment)

- **용도**: 초기값이 지정되지 않은 전역 및 정적 변수를 저장한다.
- **특징**:
  - 프로그램 시작 시 자동으로 0으로 초기화된다.
  - 메모리 공간은 할당되지만, 실행 파일에는 초기값이 저장되지 않아 파일 크기를 줄일 수 있다.
  - `.bss` 섹션으로도 알려져 있다.
- **예시**:
```c
int uninitialized_global;
static int uninitialized_static;
```

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### 힙 (Heap)

- **용도**: 동적 메모리 할당을 위해 사용된다.
- **특징**:
  - `malloc()`, `calloc()`, `realloc()`, `free()` 등의 함수를 통해 관리된다.
  - 프로그래머가 명시적으로 할당 및 해제를 제어한다.
  - 아래에서 위로 확장되는 경우가 일반적이다.
  - 메모리 누수(Memory Leak)나 이중 해제(Double Free) 등의 문제가 발생할 수 있어 주의가 필요하다.
- **예시**:
```c
int *ptr = (int*)malloc(sizeof(int) * 100);
```

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### 스택 (Stack)

- **용도**: 함수 호출 시 지역 변수, 매개변수, 반환 주소 등을 저장한다.
- **특징**:
  - LIFO(Last In, First Out) 구조를 따르며, 함수 진입 시 푸시, 종료 시 팝된다.
  - 자동으로 관리되며, 함수가 종료되면 스택 프레임이 제거된다.
  - 위에서 아래로 확장되는 경우가 일반적이다.
  - 스택 오버플로우(Stack Overflow)는 무한 재귀나 큰 지역 배열로 인해 발생할 수 있다.
- **예시**:
```c
void func(int x) {
    int local = x * 2;  // 스택에 저장됨
}
```

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## 메모리 레이아웃의 시각적 표현

다음은 일반적인 32비트 리눅스 프로세스의 메모리 레이아웃을 나타낸다:

```
높은 주소
+------------------+
|      스택        | ← 위에서 아래로 확장
+------------------+
|       ...        |
+------------------+
|       힙         | ← 아래에서 위로 확장
+------------------+
|      BSS         |
+------------------+
|     데이터       |
+------------------+
|      텍스트      |
+------------------+
낮은 주소
```

> 참고: 64비트 시스템에서는 주소 공간이 훨씬 크며, 스택과 힙의 위치가 더 넓게 분리될 수 있다.

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## 관련 개념 및 주의사항

### 가상 메모리와 물리 메모리

모든 프로세스는 **가상 메모리 주소 공간**을 가지며, 운영체제와 MMU(Memory Management Unit)를 통해 물리 메모리에 매핑된다. 이는 메모리 보호와 프로세스 격리를 가능하게 한다.

### 보안 이슈

- **버퍼 오버플로우**: 스택이나 힙에 데이터를 초과하여 쓰면 인접 메모리가 손상될 수 있으며, 공격자가 텍스트 영역을 덮어 쓰는 형태의 코드 인젝션 공격이 가능하다.
- **ASLR**(Address Space Layout Randomization): 보안을 위해 메모리 영역의 시작 주소를 랜덤화하는 기법이다.

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## 참고 자료

- Bach, Maurice J. (1986). *The Design of the UNIX Operating System*. Prentice Hall.
- Tanenbaum, Andrew S. (2007). *Modern Operating Systems*. Pearson Education.
- Linux Programmer's Manual (`man 3 malloc`, `man 3 free`)
- [GNU C Library Documentation](https://www.gnu.org/software/libc/manual/)

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이 문서는 컴퓨터 시스템의 메모리 구조에 대한 기본 이해를 제공하며, 시스템 프로그래밍 및 저수준 소프트웨어 개발에 필수적인 지식을 다룹니다.