Memory Layout?

: 메모리 레이아웃(Memory Layout)이란 프로그램이 실행될 때 운영체제는 프로세스가 사용 가능한 가상 메모리(Virtual Memory) 공간을 할당 받는데, 이 가상 메모리의 구성을 메모리 레이아웃이라고 합니다. 프로세스가 사용할 데이터를 적절한 곳에 적재하고 구획하여, 개발자의 직관적인 이해를 돕고 구획별 적절한 권한을 부여할 수 있어 메모리 오염(Memory Corruption) 취약점을 방지할 수 있는 특징이 있습니다. 메모리 레이아웃은 운영체제마다 다른데, 여기서는 Windows와 Linux 두 OS에 대한 레이아웃을 알아보겠습니다.

💻 Windows Memory Layout

섹션

.text

: 실행 가능한 기계 코드가 위치하는 영역. 코드 영역으로도 불리는 이 영역은 제어문, 함수, 상수 들을 저장함.

읽기 권한(r)과 실행 권한(x)이 부여됨
쓰기 권한을 부여하면 공격자가 악의적인 코드를 삽입할 수 있기에 대부분의 운영체제는 쓰기 권한을 제거함.

.data

: 컴파일 시점에 값이 정해진 전역변수, 정적변수 들이 위치하는 영역.

메인(main) 함수 전에 선언 되어 프로그램이 끝날 때까지 메모리에 남아있는 변수.
읽기 권한(r)과 쓰기 권한(w)이 부여됨.

.rdata

: 컴파일 시점에 값이 정해진 전역상수와 참조할 DLL 및 외부 함수들의 정보과 같은 임포트 데이터가 저장되는 영역.

읽기 권한(r)이 부여됨.
과거에는 참조할 DLL과 외부 함수들의 정보를 .idata 영역에 저장하였으나, 최근에는 .rdata에 저장하는 추세.

  
const char data_rostr[] = "readonly_data"; // - (1)
char *str_ptr = "readonly"; // - (2)

int main() {...}

(1) - "readonly_data" 문자열이 const에 의해 상수 문자열로 저장되었기 때문에 .rdata 영역에 저장됨.

(2) - str_ptr은 전역 변수이기에 .data에 위치하나, "readonly"는 상수 문자열로 취급되기에 .rdata 영역에 저장됨.

섹션이 아닌 메모리

Stack

: 프로세스의 각 Tread는 자신만의 스택 공간을 갖고 있는데 이 영역에는 보통 지역변수, 함수의 return address, 매개변수(함수의 인자)들이 저장됨.

읽기 권한(r)과 쓰기 권한(w)이 부여됨.
함수가 종료되면 해당 함수에 할당된 변수들을 해제함.
높은 주소에서 낮은 주소로 메모리에 할당되기에 ‘아래로 자란다’라는 표현을 사용함.

Heap

: 사용자에 의해 관리되는 영역으로, 모든 종류의 데이터가 저장될 수 있어 여러 용도로 사용되는 영역. 비교적 스택보다 큰 데이터를 저장할 수 있으며, 전역적으로 접근이 가능함. 메모리 동적 할당으로 저장되는 데이터는 모두 힙에 저장됨.

읽기 권한(r)과 쓰기 권한(w)을 가지나, 상황에 따라서 실행 권한(x)을 가지는 경우도 존재.
malloc(), calloc() 등으로 메모리 할당 받음.
낮은 주소에서 높은 주소로 메모리에 할당되기에 ‘위로 자란다’라는 표현을 사용함.

💡 힙과 스택이 반대 방향으로 자라는 이유? -> 두 영역이 동일한 방향으로 자라면, 한 영역을 모두 사용했을 때 이를 확장하는 과정에서 다른 영역과 충돌하게 됩니다. 이를 해결하기 위해 스택을 메모리의 끝에 위치 시키고, 힙과 스택을 반대로 자라게 하여 메모리를 최대한 자유롭게 이용하고 충돌 문제로부터 자유롭게 됩니다.

💻 Linux Memory Layout

리눅스에서는 프로세스의 메모리를 5가지의 세그먼트(segment, 영역)로 구분합니다.

Code Segment

: 코드 세그먼트(Code Segment)는 텍스트 세그먼트(Text Segment)라고도 불리는데, 프로그램에서 실행 가능한 코드 데이터가 위치함. 윈도우의 .text 영역과 동일.

읽기 권한(r)과 실행 권한(x)이 부여됨
쓰기 권한을 부여하면 공격자가 악의적인 코드를 삽입할 수 있기에 대부분의 운영체제는 쓰기 권한을 제거함.

Data Segment

: 데이터 세그먼트(Data Segment)는 컴파일 시점에 값이 정해지는 전역변수 및 전역상수들이 위치함.

기본적으로 읽기 권한(r)이 부여됨.
데이터 세그먼트는 읽기 권한에 추가로 쓰기 권한(w)을 부여하는지에 따라 세그먼트를 나눔.
- data 세그먼트 : 쓰기 권한이 부여된 세그먼트로, 전역변수와 같이 프로그램이 실행되면서 값이 변할 수 있는 데이터가 위치함.
- rodata(read-only data) 세그먼트 : 쓰기 권한이 부여되지 않은 세그먼트로, 전역상수와 같이 프로그램이 실행되면서 값이 변하면 안되는 데이터가 위치함.

  
char data_rwstr[] = "writable_data"; // - (1)
const char data_rostr[] = "readonly_data"; // - (2)
char *str_ptr = "readonly"; // - (3)

int main() {...}

(1) - data_rwstr은 "writable_data"을 가리키는 전역 변수이기 때문에 data 세그먼트에 저장됨.

(2) - "readonly_data" 문자열이 const에 의해 상수 문자열로 저장되었기 때문에 rodata 세그먼트에 저장됨.

(3) - str_ptr은 "readonly"를 가리키는 전역 변수이기에 data 세그먼트에 위치하나, "readonly"는 상수 문자열로 취급되기에 rodata 세그먼트에 저장됨.

BSS Segment

: BSS 세그먼트(BSS Segment, Block Started By Symbol Segment)는 컴파일 시점에 값이 정해지지 않는 전역 변수가 위치함.

읽기 권한(r)과 쓰기 권한(w)이 부여됨.
초기화하지 않은 전역변수처럼 프로그램 시작 시에 모두 0으로 값이 초기화 됨.

Stack Segment

: 프로세스에서 사용하는 스택이 위치하는 메모리 영역. 함수의 인자, 지역변수, 매개변수와 같은 임시 변수들이 프로그램 실행 중에 동적으로 할당 받아 메모리에 저장됨.

읽기 권한(r)과 쓰기 권한(w)이 부여됨.
높은 주소에서 낮은 주소로 메모리에 할당.

Heap Segment

: C언어에서 malloc(), calloc()와 같은 함수를 통해 프로그램 실행 중 동적으로 할당받는 메모리가 위치하는 영역.

읽기 권한(r)과 쓰기 권한(w)이 부여됨.
낮은 주소에서 높은 주소로 메모리에 할당.

Summary

Windows Memory Layout

섹션	역할	일반적인 권한	사용 예
.text	실행 가능한 코드가 위치하는 영역	읽기/실행	main() 등의 함수 코드
.data	초기화된 전역변수가 위치하는 영역	읽기/쓰기	초기화된 전역변수, 전역상수
.rdata	초기화된 전역상수나 임포트 데이터가 위치하는 영역	읽기	전역상수, 외부 함수 정보 등의 임포트 데이터
Stack Segment	임시 변수가 위치하는 영역	읽기/쓰기	지역변수, 함수의 인자 등
Heap Segment	사용자에 의해 실행 중에 동적으로 사용되는 영역	읽기/쓰기	malloc(), calloc() 등으로 할당받은 메모리

Linux Memory Layout

세그먼트	역할	일반적인 권한	사용 예
Code Segment	실행 가능한 코드가 위치하는 영역	읽기/실행	main() 등의 함수 코드
Data Segment	초기화된 데이터가 위치하는 영역	읽기 or 읽기/쓰기	초기화된 전역변수, 전역상수
BSS Segment	초기화되지 않은 데이터가 위치하는 영역	읽기/쓰기	초기화되지 않은 전역변수
Stack Segment	임시 변수가 위치하는 영역	읽기/쓰기	지역변수, 함수의 인자 등
Heap Segment	사용자에 의해 실행 중에 동적으로 사용되는 영역	읽기/쓰기	malloc(), calloc() 등으로 할당받은 메모리

[Study] Memory Layout