프로그램 세그먼트

(리눅스 커널의 이해 개정 3판 810쪽)
유닉스 프로그램의 선형 주소 공간은 논리적인 관점으로 볼 때 몇 개의 선형 주소 구간으로 나뉘어있다

• 텍스트 세그먼트는 실행 코드를 포함하고,
• 초기화된 데이터 세그먼트는 초기화된 데이터, 즉 정적 변수(static variable)와 전역 변수(global variable)의 초기 값이 지정된 경우 그 값 자체가 실행 파일에 저장되어 포함되고,
• 초기화되지 않은 데이터 세그먼트는 초기화되지 않은 데이터, 즉 초기값을 지정하지 않은 모든 전역 변수를 포함하고,
• 스택 세그먼트는 반환주소, 매개변수, 실행하는 함수의 지역 변수 등을 담은 프로그램 스택을 포함한다.

이에 대해 linux에서는 memory descriptor (mm_struct 구조체)에서 관리를 하는데,
이번에 면접을 볼 때, 지나가는 형식으로 해당 문제가 나왔다.

• 함수 내 static 변수와, 전역(global) 변수가 같은 메모리 공간에 할당되는가?

  • 내 대답은 그럴 것 같군요 이었고,
  • 문제를 내신 분께서는 사실은 그렇지 않다 라고 답변을 주셨다. * (물론 나중에 확인해보니 내가 문제를 잘못 이해한 것이었다)

그래서 그냥 그러려니 하다가, 마침 잠도 깼고 할 일도 없어서 ULK를 보다가 이상함을 느끼고 직접 실험을 해봤다.

#include <stdio.h>

#define PRINT_ADDR_AND_VALUE(var_name) \
  printf ("%40s (%16p -> %d)\n", #var_name, &var_name, var_name)

int _global_not_initialized;
int _global = 100;

static int _global_static_not_initialized;
static int _global_static = 100;

void function (void)
{
  static int _static_in_function_not_initialized;
  static int _static_in_function = 100;
  int _local_in_function_not_initialized;
  int _local_in_function = 100;

  PRINT_ADDR_AND_VALUE (_static_in_function_not_initialized);
  PRINT_ADDR_AND_VALUE (_static_in_function);
  PRINT_ADDR_AND_VALUE (_local_in_function_not_initialized);
  PRINT_ADDR_AND_VALUE (_local_in_function);
}

int main (int argc, char *argv[])
{
  static int _static_in_main_not_initialized;
  static int _static_in_main = 100;
  int _local_in_main_not_initialized;
  int _local_in_main = 100;

  PRINT_ADDR_AND_VALUE (_global_static_not_initialized);
  PRINT_ADDR_AND_VALUE (_global_static);
  PRINT_ADDR_AND_VALUE (_global_not_initialized);
  PRINT_ADDR_AND_VALUE (_global);

  PRINT_ADDR_AND_VALUE (_static_in_main_not_initialized);
  PRINT_ADDR_AND_VALUE (_static_in_main);
  PRINT_ADDR_AND_VALUE (_local_in_main_not_initialized);
  PRINT_ADDR_AND_VALUE (_local_in_main);

  function ();
  return 0;
}

실험 방법은 위의 코드를 사용하여 전역적(global), 정적(static), 그리고 초기화된(initialized), 초기화되지 않은(not initialized) 마지막으로 함수 stack 변수까지 메모리 주소와 그 값을 비교해보도록 하였다.

실행 결과는 다음과 같고,

          _global_static_not_initialized (        0x601040 -> 0)
                          _global_static (        0x601024 -> 100)
                 _global_not_initialized (        0x60104c -> 0)
                                 _global (        0x601020 -> 100)
         _static_in_main_not_initialized (        0x601044 -> 0)
                         _static_in_main (        0x601028 -> 100)
          _local_in_main_not_initialized (  0x7fffde739c6c -> 0)
                          _local_in_main (  0x7fffde739c68 -> 100)
     _static_in_function_not_initialized (        0x601048 -> 0)
                     _static_in_function (        0x60102c -> 100)
      _local_in_function_not_initialized (  0x7fffde739c3c -> 32705)
                      _local_in_function (  0x7fffde739c38 -> 100)

위 문제와 연결지어 정리하면 이와 같다. 위 쪽이 memory의 high address이고 아래 쪽이 low address이다. 세 개의 영역으로 구분지었는데, 위에서부터 스택(Stack), 초기화되지 않은 영역(BSS), 초기화된 영역(Data)이다.

          _local_in_main_not_initialized (  0x7fffde739c6c -> 0)
                          _local_in_main (  0x7fffde739c68 -> 100)
      _local_in_function_not_initialized (  0x7fffde739c3c -> 32705)
                      _local_in_function (  0x7fffde739c38 -> 100)

                 _global_not_initialized (        0x60104c -> 0)
     _static_in_function_not_initialized (        0x601048 -> 0)
         _static_in_main_not_initialized (        0x601044 -> 0)
          _global_static_not_initialized (        0x601040 -> 0)

                     _static_in_function (        0x60102c -> 100)
                         _static_in_main (        0x601028 -> 100)
                          _global_static (        0x601024 -> 100)
                                 _global (        0x601020 -> 100)

이 결과로 볼 때 세 가지 영역으로 구분할 수 있다.

• 첫 번째는 스택 공간으로 지역 변수, 함수 인자, 반환 주소 등이 들어가는 공간이다. 본 실험과 크게 상관없는 부분으로 call stack에 따라 아래(low address)로 증가하는 것을 확인할 수 있다.

• 두 번째는 초기화되지 않은 데이터 세그먼트, 즉 저 유명한 BSS(Block Started by Symbol) 영역이다. 메모리 주소의 순서를 보면 global 영역에서 선언된 변수와 static하게 함수 내에서 선언된 변수가 사이좋게 같은 영역 내에 할당된 것을 확인할 수 있다.

  • 단, 재밌는 것은 static하게 선언된 global 변수보다 그냥 global 변수가 더 메모리 상위 주소 공간에 할당된다는 것이다. 이는 단일 파일 내에서 접근되는 메모리 변수 영역과 다른 모든 파일 내에서 접근되는 메모리 변수 영역을 분리함으로써 효율성을 도모한 시도로 추측된다. (본 내용에 관해서는 추후 확인할 예정이다)
• 세 번째는 초기화된 데이터 세그먼트이다. 함수 내 static 변수나 프로그램 global 변수나 static한 global 변수나 사이좋게 선형적 주소 공간을 가짐을 확인할 수 있다. 재미있는 것은 초기화된 데이터가 메모리에 쌓이는 순서는 순전히 코드 내의 순서에 의존한다는 것이다. (본 내용에 관해서도 추후 확인할 예정이다)

파생되는 이야기가 많아졌는데, 결론을 내리자면
static 변수나 global 변수가 같은 공간에 할당된다는 것이다. 물론 초기화된 변수와 초기화되지 않은 변수는 다른 공간에 분리되어 선언된다.

https://en.wikipedia.org/wiki/Data_segment#Data

static int i = 10; will be stored in data segment and global int i = 10; will be stored in data segment

물론 메모리 할당 순서가 컴파일러 의존적일 것이라고는 생각되고, 본 실험이 철저히 gcc 기반으로 수행되었기 때문에 다른 컴파일러에서도 그럴 것이다라고 단정 지을 수는 없을 것이다.