프로세스 메모리 관리 모델과 가상 메모리 구조

 

운영체제는 각 프로세스마다 메모리 모델을 만들어 관리합니다. 이를 이해하는 것은 프로그램이 실행되는 메커니즘을 정확히 파악하는 데 필수입니다. 본 글에서는 가상 메모리와 프로세스 메모리 구조를 분석하고, 각 영역(Stack, Heap, Text, Global)의 동작을 자세히 살펴보겠습니다.

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1. 운영체제의 가상 메모리 관리 개요

가상 메모리란?

가상 메모리(Virtual Memory)는 실제 물리 메모리(RAM)의 크기보다 더 큰 메모리 공간을 추상화하여 제공하는 기술입니다. 프로세스는 자신의 전체 메모리 공간을 갖는 것처럼 동작하며, 실제 메모리 할당은 운영체제가 제어합니다.

• 프로세스는 자신만의 4GB 공간(32bit 기준, 64bit에서는 훨씬 더 큼)을 가진 것처럼 동작
• 가상 주소 ↔ 실제 물리 주소는 MMU(Memory Management Unit)와 운영체제 커널이 매핑 관리

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2. 프로세스 메모리 구조 (프로세스 주소 공간)

전체 메모리 구조

• 프로세스
  • 운영체제로부터 시스템 자원을 할당받는 작업 단위
  • 컴퓨터에서 실행 중인 동적인 상태의 프로그램
  • 프로세스당 하나 이상의 스레드를 포함 -> 각 스레드는 독립적으로 실행
  • 독립된 메모리 영역: Code, Data (GVAR, BSS) , Heap, Stack 구조의 메모리 영역을 다른 프로세스와 공유하지 않음

   높은 주소
   +-----------------+
   |    커널 영역    |
   +-----------------+
   |      Stack      | ← 함수 호출 시 지역변수, 리턴주소
   |  (자동 할당)    |
   +-----------------+
   |      Heap       | ← malloc/new 등 동적 메모리
   |  (동적 할당)    |
   +-----------------+
   | Data (GVAR, BSS)| ← 전역/정적 변수
   +-----------------+
   |     Text Code   | ← 실행 코드(명령어)
   +-----------------+
   낮은 주소

 

영역	설명	예시
Text	실행 코드 영역. 읽기 전용, 실행 가능	함수 정의, main 등
GVAR (Initialized)	초기화된 전역 변수, 정적 변수 저장	int x = 10;
BSS (Uninitialized)	초기화되지 않은 전역/정적 변수	static int a;
Heap	런타임 중 동적 메모리 할당 (malloc 등)	int *p = malloc()
Stack	함수 호출 시 생성되는 지역 변수, 리턴 주소 등	int main() { int x; }

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3. 리눅스에서 가상 메모리 및 프로세스 메모리 확인 방법

시스템 전체 메모리 확인

명령어	설명
free -h	전체 메모리 사용량 (RAM, Swap 포함)
vmstat	메모리, CPU, I/O 등 상태 요약
top / htop	실시간 프로세스 메모리 사용량
cat /proc/meminfo	메모리 관련 상세 통계 제공

프로세스별 메모리 확인

명령어	설명
cat /proc/<PID>/maps	프로세스 메모리 맵, 세그먼트별 주소/권한
cat /proc/<PID>/smaps	메모리 사용량(RSS, PSS 등) 상세
pmap <PID>	메모리 매핑 상태 요약
ps aux	전체 프로세스의 메모리(RSS, %MEM 등) 확인 가능

 

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4. Node.js에서 Heap 메모리 분석

Node.js에서는 V8 엔진 기반의 힙을 관리합니다. 동작 중에도 힙 메모리를 실시간 추적하거나, 스냅샷으로 분석할 수 있습니다.

방법 1: process.memoryUsage()

console.log(process.memoryUsage());

출력 예:

{
  rss: 26517504,
  heapTotal: 5685248,
  heapUsed: 3441280,
  external: 8272
}

필드	설명
rss	전체 프로세스의 메모리(RAM 포함)
heapTotal	힙에 할당된 총 메모리
heapUsed	실제 사용 중인 힙 메모리
external	네이티브 모듈이 사용하는 메모리

방법 2: DevTools + Heap Snapshot

node --inspect index.js

• 크롬에서 chrome://inspect 접속 → Heap Snapshot 추출
• 힙 내 객체별 할당 상태 추적 가능

방법 3: heapdump 모듈

npm install heapdump

const heapdump = require('heapdump');
heapdump.writeSnapshot('heap.heapsnapshot');

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정리

• 프로세스는 독립된 주소 공간을 가지고 있으며, 각 영역은 서로 다른 목적과 할당 방식으로 관리된다.
• 운영체제는 페이지 테이블과 가상 메모리를 통해 효율적이고 안정적으로 메모리를 분배한다.
• 실제 프로그램(Node.js 등)도 힙/스택 구조를 활용하며, 메모리 사용은 도구로 실시간 분석 가능하다.

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참고자료

• http://pages.cs.wisc.edu/\~remzi/OSTEP/
• https://nodejs.org/api/process.html#processmemoryusage
• https://www.geeksforgeeks.org/c/memory-layout-of-c-program/