프로세스 주소 공간

2024.03.13 15:17

15. 프로세스 주소 공간

커널은 사용자 공간 프로세스의 메모리도 관리해야 하며 이를 ‘프로세스 주소 공간’이라고 부른다.
프로세스는 유효한 메모리 영역에만 접근해야 하며, 이를 어길시 segment fault를 만날 것이다.

15.1 메모리 서술자 구조체 mm_struct

struct mm_struct {
  struct {
    atomic_t mm_users;
    /*
     * Fields which are often written to are placed in a separate
     * cache line.
     */
    struct {
      /**
       * @mm_count: The number of references to &struct
       * mm_struct (@mm_users count as 1).
       *
       * Use mmgrab()/mmdrop() to modify. When this drops to
       * 0, the &struct mm_struct is freed.
       */
      atomic_t mm_count;
    } ____cacheline_aligned_in_smp;

    struct maple_tree mm_mt;
    ...
  }
};

<linux/mm_types.h>에는 mm_struct 라는 메모리 서술자 구조체가 정의돼있다.
- mm_users: 이 주소 공간을 사용하는 프로세스의 개수를 의미한다.
- mm_count: 이 구조체의 주 참조 횟수다.
  - 9개 스레드가 주소 공간을 공유한다면? mm_users == 9, mm_count == 1
  - mm_users == 0 -> mm_count를 하나 감소시킨다.
  - mm_count == 0 -> 이 주소 공간을 참조하는 놈이 하나도 없으니 메모리를 해제한다.
- mmap, mm_rb: 동일한 메모리 영역을 전자는 연결리스트로, 후자는 레드-블랙 트리로 나타낸 것이다.
  - 왜 같은 대상을 중복 표현해서 메모리를 낭비하는 걸까?
  - 메모리 낭비는 있겠지만, 얻을 수 있는 이점이 있기 때문이다.
  - 전후 관계를 파악하거나 모든 항목을 탐색할 때는 연결리스트가 효율적이다.
  - 특정 항목을 탐색할 때는 레드-블랙 트리가 효율적이다.
  - 이런 방식으로 같은 데이터를 두 가지 다른 접근 방식으로 사용하는 것을 ‘스레드 트리’라고 부른다.
이미 3장에서 task_struct를 배울 때 mm 멤버변수로 이 구조체를 봤었다.
- 복습하자면, current->mm은 현재 프로세스의 메모리 서술자를 뜻하며,
- fork() → copy_mm() 함수가 부모 프로세스의 메모리 서술자를 자식 프로세스로 복사하며,
- 복사할 때 12.4절에서 배운 ‘슬랩 캐시’를 이용해 mm_cachep에서 mm_struct 구조체를 할당한다.
- 만일 만드는게 스레드라면, 생성된 스레드의 메모리 서술자는 부모의 mm을 가리킬 것이다.
- 그리고 커널 스레드라면, 당연히 프로세스 주소 공간이 없으므로 mm == NULL이다.
  - (+ 추가내용: 커널 스레드가 종종 프로세스 주소 공간의 페이지 테이블 일부 데이터가 필요한 경우가 있다. 메모리 서술자의 mm == NULL일 때, active_mm 항목은 이전 프로세스의 메모리 서술자가 가리키던 곳으로 갱신된다. 따라서 커널 스레드는 이전 프로세스의 페이지 테이블을 필요할 때 사용할 수 있다.)

15.2 가상 메모리 영역 구조체 vm_area_struct

리눅스 커널에서 ‘가상 메모리 영역’은 VMA라고 줄여 부르며 <linux/mm_type.h>의 vm_area_struct 구조체로 메모리 영역을 표현한다.

// https://github.com/torvalds/linux/blob/f2e8a57ee9036c7d5443382b6c3c09b51a92ec7e/include/linux/mm_types.h#L616
struct vm_area_struct {
  /* The first cache line has the info for VMA tree walking. */

  union {
    struct {
      /* VMA covers [vm_start; vm_end) addresses within mm */
      unsigned long vm_start;
      unsigned long vm_end;
    };
#ifdef CONFIG_PER_VMA_LOCK
    struct rcu_head vm_rcu;  /* Used for deferred freeing. */
#endif
  };

  struct mm_struct *vm_mm;  /* The address space we belong to. */
  pgprot_t vm_page_prot;          /* Access permissions of this VMA. */

  /*
   * Flags, see mm.h.
   * To modify use vm_flags_{init|reset|set|clear|mod} functions.
   */
  union {
    const vm_flags_t vm_flags;
    vm_flags_t __private __vm_flags;
  };

  const struct vm_operations_struct *vm_ops;
  ...
} __randomize_layout;

주요 멤버 변수를 살펴보면 아래와 같다.
- vm_start, vm_end: 가상 메모리 영역의 시작주소와 마지막 주소를 의미하므로 이 둘의 차이가 메모리 영역의 바이트 길이가 된다. 다른 메모리 영역끼리는 중첩될 수 없다.
- vm_mm: VMA 별로 고유한 mm_struct를 보유한다. 동일 파일을 별도의 프로세스들이 각자의 주소 공간에 할당할 경우 각자의 vm_area_struct를 통해 메모리 공간을 식별하게 된다.
- vm_flags: 메모리 영역 내 페이지에 대한 정보(읽기, 쓰기, 실행 권한 정보 등)를 제공한다.
- vm_ops: 메모리 영역을 조작하기 위해 커널이 호출할 수 있는 동작 구조체 vm_operations_struct를 가리킨다. (13절 VFS를 설명할 때 언급했던 ‘동작 객체’ 구조체와 비슷한 개념이다.)

15.3. 실제 메모리 영역 살펴보기

간단한 프로그램을 만들고, ‘/proc’ 파일시스템과 pmap 유틸리티를 통해 특정 프로세스의 주소 공간과 메모리 영역을 살펴보자.

[ec2-user@ip-x-x-x-x ~]$ echo -e "int main(int argc, char *argv[]) { while(1); }" > test.c
[ec2-user@ip-x-x-x-x ~]$ gcc -o test test.c && ./test &
[1] 1024914
[ec2-user@ip-x-x-x-x ~]$ cat /proc/1024914/maps
55ef85f2b000-55ef85f5a000 r--p 00000000 103:01 2253                      /usr/bin/bash
55ef86c8c000-55ef86dad000 rw-p 00000000 00:00 0                          [heap]
7ffb87000000-7ffb94530000 r--p 00000000 103:01 8524092                   /usr/lib/locale/locale-archive
7ffb94600000-7ffb94ed4000 r--s 00000000 103:01 9692403                   /var/lib/sss/mc/passwd
7ffb94fab000-7ffb95000000 r--p 00000000 103:01 443                       /usr/lib/locale/C.utf8/LC_CTYPE
7ffb95000000-7ffb95028000 r--p 00000000 103:01 8524744                   /usr/lib64/libc.so.6
7ffb95230000-7ffb95231000 r--p 00000000 103:01 1600                      /usr/lib/locale/C.utf8/LC_NUMERIC
7ffb95231000-7ffb95232000 r--p 00000000 103:01 1603                      /usr/lib/locale/C.utf8/LC_TIME
7ffb95232000-7ffb95233000 r--p 00000000 103:01 442                       /usr/lib/locale/C.utf8/LC_COLLATE
7ffb95233000-7ffb95234000 r--p 00000000 103:01 446                       /usr/lib/locale/C.utf8/LC_MONETARY
7ffb95234000-7ffb95235000 r--p 00000000 103:01 8524051                   /usr/lib/locale/C.utf8/LC_MESSAGES/SYS_LC_MESSAGES
7ffb95235000-7ffb95236000 r--p 00000000 103:01 1601                      /usr/lib/locale/C.utf8/LC_PAPER
7ffb95236000-7ffb95237000 r--p 00000000 103:01 447                       /usr/lib/locale/C.utf8/LC_NAME
7ffb95237000-7ffb9523e000 r--s 00000000 103:01 2799                      /usr/lib64/gconv/gconv-modules.cache
7ffb9523e000-7ffb95240000 r--p 00000000 103:01 9455124                   /usr/lib64/libnss_sss.so.2
7ffb9524e000-7ffb9525c000 r--p 00000000 103:01 8522848                   /usr/lib64/libtinfo.so.6.2
7ffb95283000-7ffb95285000 r--p 00000000 103:01 8524740                   /usr/lib64/ld-linux-x86-64.so.2
7ffed54c8000-7ffed54e9000 rw-p 00000000 00:00 0                          [stack]
7ffed55e0000-7ffed55e4000 r--p 00000000 00:00 0                          [vvar]
7ffed55e4000-7ffed55e6000 r-xp 00000000 00:00 0                          [vdso]
ffffffffff600000-ffffffffff601000 --xp 00000000 00:00 0                  [vsyscall]

/proc/<pid>/maps 파일은 프로세스 주소 공간의 메모리 영역을 출력해준다.
pmap 유틸리티를 사용하면 위 정보를 조금 더 가독성 있게 표현해준다.
지금까지 다룬 구조체의 구조를 깔끔하게 도식화한 그림이다.
task_struct의 mm은 각 프로세스의 메모리 서술자인 mm_struct이다.
mm_struct의 mmap은 가상 메모리 영역 vm_area_struct을 표현하는 연결리스트다.
vm_area_struct는 프로세스의 실제 메모리 영역(.txt, .data 등)을 나타낸다.

알다시피, 커널과 애플리케이션은 가상 주소를 사용하지만, 프로세서는 물리 주소를 사용한다.
- 따라서 프로세서와 애플리케이션이 서로 상호작용하기 위해서는 페이지 테이블을 통해 변환작업이 필요하다.
리눅스 커널은 PGD(Global), PMD(Middle), PTE 세 단계의 페이지 테이블을 사용한다.
페이지 테이블 구조는 아키텍처에 따라 상당히 다르며 <asm/page.h>에 정의돼있다.

참고

kernel파일시스템 kernel프로세스 관리 kernel프로세스 스케줄러 memorySwap메모리 memoryVSS, RSS, PSS, USS 주요명령어arp