세그멘테이션 오류

• 위키백과 - 세그멘테이션 오류

• GeeksforGeeks - Segmentation Faults in C/C++

• Microsoft Learn - Null 포인터 역참조

• Stack Overflow - What is a segmentation fault?

• IBM Documentation - Segmentation fault

• LLVM Project - Clang Static Analyzer Checks

• Oracle - Understanding Segmentation Faults

• GCC Online Documentation - Debugging Options

버퍼 오버플로우는 세그멘테이션 오류를 일으키는 가장 흔한 원인 중 하나이다. 이는 프로그램이 할당된 버퍼의 경계를 넘어서 데이터를 읽거나 쓰려고 할 때 발생한다. 예를 들어, 고정된 크기의 문자열 배열에 그 길이를 초과하는 데이터를 복사하려 하면, 배열 뒤에 위치한 다른 메모리 영역을 덮어쓰게 된다. 이렇게 덮어쓰여진 영역에 중요한 프로그램 데이터나 함수의 복귀 주소가 포함되어 있을 경우, 프로그램의 제어 흐름이 깨져 세그멘테이션 오류로 이어진다.

버퍼 오버플로우는 주로 C나 C++와 같이 메모리 안전성을 직접 관리해야 하는 언어에서 발생한다. 이러한 언어는 배열의 경계 검사를 수행하지 않기 때문에, 프로그래머가 명시적으로 검사 코드를 작성하지 않으면 취약점이 생기기 쉽다. 특히 표준 C 라이브러리의 strcpy, gets 같은 함수는 목적지 버퍼의 크기를 확인하지 않아 위험한 것으로 알려져 있다.

이러한 오버플로우는 단순한 프로그램 충돌을 넘어서 보안 취약점으로 악용될 수 있다. 공격자가 악의적인 코드를 버퍼에 주입하고, 함수 포인터나 반환 주소를 조작하여 해당 코드를 실행하도록 유도할 수 있기 때문이다. 이는 메모리 보호 기법 중 하나인 스택 가드나 주소 공간 배치 난수화 같은 기술로 완화할 수 있다.

버퍼 오버플로우를 방지하기 위해서는 strncpy와 같은 안전한 함수를 사용하거나, C++의 std::string과 같은 고수준 추상 자료형을 활용하는 것이 좋다. 또한 정적 분석 도구나 주소 산화기 같은 메모리 안전성 검사 도구를 사용하여 코드를 검사하면 잠재적인 오버플로우를 사전에 발견할 수 있다.

해제된 메모리 접근은 이미 메모리 해제된 힙 영역의 메모리 주소를 가리키는 포인터를 사용하여 데이터를 읽거나 쓰려고 시도할 때 발생하는 일반적인 세그멘테이션 오류의 원인이다. 이러한 포인터를 댕글링 포인터라고 부르며, 프로그램이 더 이상 소유하지 않은 메모리 영역에 접근하게 되어 오류를 유발한다.

이 오류는 주로 C (프로그래밍 언어)나 C++와 같이 개발자가 직접 메모리를 관리하는 언어에서 free()나 delete와 같은 함수를 통해 메모리를 해제한 후, 해당 포인터를 초기화하지 않고 계속 사용할 때 발생한다. 해제된 메모리는 운영체제에 반환되어 다른 용도로 재할당될 수 있으므로, 접근 시 예측 불가능한 동작이나 충돌을 일으킨다.

해제된 메모리 접근을 방지하기 위한 주요 방법은 메모리를 해제한 즉시 포인터 변수를 널 포인터로 설정하는 것이다. 또한, 스마트 포인터와 같은 자원 획득 즉 초기화 패턴을 지원하는 현대적 프로그래밍 언어를 사용하거나, AddressSanitizer와 같은 메모리 오류 검출 도구를 활용하여 런타임에 이러한 버그를 잡아낼 수 있다. 철저한 코드 리뷰와 단위 테스트 역시 문제를 조기에 발견하는 데 도움이 된다.

스택 오버플로우는 프로그램이 할당된 스택 메모리 영역의 끝을 넘어서 데이터를 쓰려고 시도할 때 발생하는 세그멘테이션 오류의 한 유형이다. 이는 주로 재귀 함수가 종료 조건 없이 무한히 호출되거나, 지역 변수로 매우 큰 데이터 구조를 선언하는 경우에 일어난다. 스택은 제한된 크기를 가지며, 보통 운영체제나 컴파일러에 의해 미리 정해지기 때문에 이 한계를 초과하는 사용은 허용되지 않은 메모리 영역에 대한 접근으로 간주되어 오류를 유발한다.

이 오류는 C나 C++와 같은 저수준 언어에서 흔히 발생하며, 함수 호출 시 반환 주소와 지역 변수가 저장되는 스택 프레임이 계속 쌓여 공간이 고갈될 때 나타난다. 스택 오버플로우를 방지하기 위해서는 재귀 알고리즘의 종료 조건을 명확히 하고, 깊은 재귀 대신 반복문을 사용하는 것을 고려하거나, 큰 데이터는 스택이 아닌 힙 영역에 동적으로 할당하는 방법을 사용할 수 있다. 또한 컴파일러의 최적화 옵션을 통해 스택 크기를 조정하거나, 정적 분석 도구를 활용하여 잠재적인 오버플로우 위험을 사전에 찾아낼 수 있다.

잘못된 메모리 정렬 접근은 프로그램이 특정 하드웨어 아키텍처가 요구하는 정렬 경계를 위반하여 메모리에 접근하려 할 때 발생하는 세그멘테이션 오류의 한 원인이다. 많은 CPU는 데이터 유형에 따라 특정 메모리 주소 배수(예: 4바이트 정수는 4의 배수 주소)에 데이터를 배치하도록 요구하며, 이 요구사항을 위반한 접근 시도는 하드웨어 예외를 유발한다.

이 오류는 주로 저수준 시스템 프로그래밍이나 특정 컴파일러 최적화를 사용하지 않는 코드에서 발생한다. 예를 들어, 포인터를 통해 패킹된 구조체의 멤버에 직접 접근하거나, 형 변환을 통해 정렬되지 않은 주소를 가리키는 포인터를 생성하는 경우에 흔히 나타난다. C 언어와 C++에서는 언어 표준이 엄격한 정렬 요구사항을 강제하지 않아, 이식성이 낮은 코드에서 문제가 발생할 수 있다.

잘못된 정렬 접근을 방지하기 위해서는 컴파일러가 제공하는 정렬 관련 지시어나 속성을 사용하거나, 메모리 복사 함수를 통해 정렬된 버퍼로 데이터를 옮겨 처리하는 방법을 사용할 수 있다. 또한 정적 분석 도구나 주소 산화기와 같은 메모리 안전성 검사 도구를 활용하면 실행 전이나 실행 중에 이러한 오류를 탐지하는 데 도움이 된다.

유닉스 및 리눅스 계열 운영체제에서 세그멘테이션 오류는 일반적으로 SIGSEGV 신호를 발생시킨다. SIGSEGV는 "Segmentation Violation"의 약자로, 프로세스가 자신에게 할당되지 않은 메모리 영역에 접근하거나, 읽기 전용으로 표시된 메모리 영역에 쓰기를 시도하는 등의 위반 행위를 했을 때 운영체제의 커널이 해당 프로세스에 전송하는 신호이다.

이 신호의 기본 동작은 프로세스를 즉시 종료시키는 것이다. 이로 인해 사용자는 "Segmentation fault (core dumped)"와 같은 오류 메시지를 터미널에서 보게 된다. 코어 덤프가 생성되면, 이 파일을 GDB나 LLDB 같은 디버거로 분석하여 오류가 발생한 정확한 메모리 주소와 실행 중이던 기계어 명령어, 호출 스택 정보를 확인할 수 있다.

SIGSEGV 신호는 하드웨어 수준에서 먼저 탐지된다. 프로세서가 유효하지 않은 메모리 접근을 감지하면 페이지 폴트 예외를 발생시키고, 이를 운영체제 커널이 처리한다. 커널은 해당 접근이 프로세스의 권한을 위반한 것인지(예: 널 포인터 역참조) 판단한 후, 위반 사항이 확인되면 사용자 프로세스에 SIGSEGV 신호를 전달한다.

Windows 운영체제에서 세그멘테이션 오류는 일반적으로 "접근 위반" 또는 "액세스 위반"이라는 이름으로 알려져 있다. 이는 프로그램이 운영체제와 CPU가 허용하지 않은 메모리 영역에 읽기 또는 쓰기를 시도할 때 발생하는 하드웨어 예외이다. Windows는 이러한 잘못된 접근을 감지하면 해당 프로세스를 강제로 종료시키며, 대표적으로 "0xC0000005" 상태 코드와 함께 응용 프로그램이 예기치 않게 종료되었다는 메시지를 사용자에게 표시한다.

이 오류의 주요 원인은 널 포인터 역참조, 초기화되지 않은 포인터 사용, 버퍼 오버플로, 또는 이미 해제된 힙 메모리에 접근하는 것 등이다. 가상 메모리 시스템에서 각 프로세스는 자신만의 주소 공간을 가지며, 운영체제와 하드웨어는 페이지 테이블과 메모리 관리 장치를 통해 접근 권한을 검사한다. 허용되지 않은 주소에 대한 접근 시도는 즉시 예외 처리 메커니즘을 통해 운영체제에 보고되어 접근 위반으로 처리된다.

접근 위반을 진단하기 위해 디버거를 사용할 수 있다. Visual Studio의 통합 디버거나 WinDbg 같은 도구를 활용하면 예외가 발생한 정확한 명령어 포인터 주소와 접근을 시도한 메모리 주소를 확인할 수 있다. 또한, 애플리케이션 이벤트 로그에 기록된 상세 정보나 생성된 크래시 덤프 파일을 분석하여 오류의 근본 원인을 추적하는 것이 일반적이다.

세그멘테이션 오류를 진단할 때 가장 기본적이고 직접적인 방법은 디버거를 사용하는 것이다. GDB나 LLDB와 같은 디버거는 프로그램이 비정상 종료되는 순간의 실행 상태를 정지시켜 살펴볼 수 있게 해준다. 디버거를 연결한 상태에서 프로그램을 실행하면, 세그멘테이션 오류가 발생했을 때 디버거가 신호를 가로채 프로그램 실행을 멈춘다. 이 시점에서 개발자는 백트레이스를 확인해 오류가 발생한 함수 호출 스택을 볼 수 있고, 문제의 포인터 변수 값이나 레지스터 상태를 검사할 수 있다.

디버거를 효과적으로 사용하기 위해서는 프로그램을 디버그 심볼 정보와 함께 컴파일하는 것이 중요하다. 이 정보가 있으면 디버거가 메모리 주소 대신 소스 코드의 함수명과 변수명, 줄 번호를 정확히 보여줄 수 있다. GDB의 bt(backtrace) 명령어나 LLDB의 thread backtrace 명령어는 오류 지점까지의 호출 경로를 보여주며, print나 frame variable 명령어를 통해 특정 변수의 값을 조사할 수 있다.

복잡한 멀티스레드 프로그램에서 오류가 발생한 경우, info threads 명령어로 모든 스레드의 상태를 보고 문제의 스레드로 전환하여 조사할 수 있다. 또한 디버거는 코어 덤프 파일을 불러와 사후 분석을 수행하는 데에도 사용된다. gdb [실행파일] [코어덤프파일] 형식으로 디버거를 실행하면, 프로그램이 크래시된 당시의 메모리 상태를 그대로 재현하여 원인을 추적할 수 있다.

주소 산화기는 메모리 접근 오류를 런타임에 탐지하기 위한 컴파일러 기반의 도구이다. 주로 C와 C++ 언어에서 발생하는 널 포인터 역참조, 버퍼 오버플로, 해제된 메모리 접근 등의 세그멘테이션 오류를 효과적으로 찾아낸다. 이 도구는 GCC와 LLVM/Clang 컴파일러 툴체인에 통합되어 있으며, 프로그램을 컴파일할 때 특별한 플래그를 통해 활성화하여 사용한다.

주소 산화기의 핵심 작동 원리는 섀도우 메모리를 활용하는 것이다. 프로그램의 모든 메모리 할당 주변에 특별한 "빨간 영역"을 추가하고, 모든 메모리 접근 시 이 영역의 상태를 검사한다. 예를 들어, 힙 버퍼 오버플로가 발생하면 할당된 영역을 벗어난 접근이 빨간 영역을 침범하게 되고, 이는 즉시 오류로 감지되어 보고된다. 이 방식은 메모리 누수 탐지 기능도 함께 제공하는 경우가 많다.

주요 장점은 기존 디버거보다 훨씬 낮은 오버헤드로 메모리 오류를 탐지할 수 있다는 점이다. 프로그램 실행 속도를 약 2배 정도만 저하시키면서도 대부분의 위험한 메모리 버그를 잡아낼 수 있어, 개발 단계와 지속적 통합 테스트에서 널리 사용된다. 정적 분석 도구가 소스 코드를 분석하는 것과 달리, 주소 산화기는 프로그램이 실제로 실행되는 과정에서 오류를 발견한다.

이 도구는 리눅스, macOS, 안드로이드 등 다양한 플랫폼에서 지원되며, 마이크로소프트도 비슷한 기능의 AddressSanitizer를 윈도우용으로 제공하고 있다. 메모리 안전성이 중요한 시스템 프로그래밍과 보안 분야에서 필수적인 디버깅 도구로 자리 잡았다.

코어 덤프 분석은 세그멘테이션 오류로 인해 비정상 종료된 프로그램의 메모리 상태를 파일로 저장한 뒤 이를 조사하여 오류의 원인을 파악하는 디버깅 기법이다. 코어 덤프 파일에는 프로그램이 종료된 순간의 메모리 내용, CPU 레지스터 상태, 스택 트레이스 등이 포함되어 있어, 오류 발생 지점과 당시의 변수 값을 재구성할 수 있다.

유닉스 계열 운영체제에서는 SIGSEGV 신호를 받아 프로그램이 종료될 때 코어 덤프 파일이 생성된다. 이를 분석하기 위해 GDB나 LLDB 같은 디버거를 사용한다. 디버거에 코어 덤프 파일과 해당 실행 파일을 로드하면, 프로그램이 종료된 시점의 백트레이스를 확인하고, 특정 변수나 메모리 주소의 값을 검사하여 널 포인터 역참조나 버퍼 오버런과 같은 구체적인 원인을 찾아낼 수 있다.

코어 덤프 분석은 특히 재현하기 어려운 간헐적 오류나 프로덕션 환경에서 발생한 문제를 해결할 때 유용하다. 운영체제 설정에 따라 코어 덤프 파일 생성이 제한될 수 있으므로, 사전에 ulimit 명령어 등을 통해 코어 파일 크기 제한을 적절히 설정해야 한다. 이 방법은 주소 산화기 같은 실시간 도구를 사용할 수 없는 상황에서 강력한 사후 분석 수단이 된다.

세그멘테이션 오류를 근본적으로 예방하는 가장 효과적인 방법 중 하나는 메모리 안전성이 보장되는 프로그래밍 언어를 사용하는 것이다. C나 C++와 같은 언어는 강력한 성능과 제어력을 제공하지만, 프로그래머가 직접 메모리 관리를 해야 하므로 널 포인터 역참조나 버퍼 오버플로와 같은 위험에 노출되기 쉽다. 이에 반해 자바, C 샤프, 고, 러스트와 같은 현대적인 언어들은 언어 설계 단계에서 메모리 안전성을 핵심 목표로 삼고 있다.

이러한 안전한 언어들은 가비지 컬렉션이나 소유권 시스템 같은 메커니즘을 통해 대부분의 메모리 접근 오류를 컴파일 타임이나 런타임에 차단한다. 예를 들어, 가비지 컬렉션을 사용하는 언어는 사용하지 않는 메모리를 자동으로 회수하여 해제된 메모리에 대한 접근을 방지한다. 러스트의 소유권 모델은 컴파일러가 메모리 접근 규칙을 엄격히 검사하여 데이터 경쟁과 잘못된 메모리 접근을 사전에 막는다. 이러한 접근 방식은 세그멘테이션 오류의 주요 원인들을 사전에 제거함으로써 시스템의 안정성과 보안을 크게 향상시킨다.

물론, 운영체제 커널이나 임베디드 시스템처럼 하드웨어에 대한 저수준 제어가 필수적인 영역에서는 여전히 C와 같은 언어의 사용이 불가피할 수 있다. 그러나 애플리케이션 소프트웨어 개발, 특히 웹 서버나 데스크톱 애플리케이션과 같은 분야에서는 메모리 안전 언어의 채택이 세그멘테이션 오류로 인한 비정상 종료와 보안 취약점을 줄이는 확실한 방책이 된다. 따라서 프로젝트의 요구사항과 제약 조건을 고려하여 적절한 프로그래밍 언어를 선택하는 것이 장기적인 소프트웨어 품질과 유지보수성에 중요하다.

정적 분석 도구 활용은 세그멘테이션 오류를 예방하는 핵심적인 방법 중 하나이다. 이는 프로그램을 실제로 실행하지 않고 소스 코드나 컴파일된 코드를 분석하여 잠재적인 결함을 찾아내는 기법이다. 정적 분석 도구는 컴파일 시점이나 코드 작성 단계에서 널 포인터 역참조, 버퍼 오버플로우, 초기화되지 않은 변수 사용, 메모리 누수 등 세그멘테이션 오류로 이어질 수 있는 다양한 코딩 오류와 안전하지 않은 패턴을 사전에 탐지할 수 있다. 이를 통해 런타임에 갑작스럽게 발생하는 치명적인 오류를 사전에 차단하고 코드의 신뢰성을 높일 수 있다.

주요 정적 분석 도구로는 C 언어와 C++를 위한 Clang Static Analyzer, Cppcheck, PVS-Studio 등이 널리 사용된다. 또한 많은 통합 개발 환경(IDE)과 컴파일러가 기본적으로 정적 분석 기능을 내장하고 있어, 개발 과정에서 실시간으로 경고를 제공한다. 이러한 도구들은 단순한 문법 오류를 넘어서, 복잡한 제어 흐름과 데이터 흐름을 분석하여 인간의 눈으로는 발견하기 어려운 논리적 오류까지 찾아낸다.

정적 분석 도구의 효과적인 활용을 위해서는 도구가 보고하는 모든 경고를 신중하게 검토하고, 위험 수준에 따라 우선순위를 정해 수정해야 한다. 또한, 지속적 통합(CI) 파이프라인에 정적 분석 단계를 통합하여 코드 변경 시마다 자동으로 검사를 수행하도록 설정하는 것이 좋다. 이는 소프트웨어 테스트와 코드 리뷰와 함께 다층적인 방어 체계를 구성하여 세그멘테이션 오류의 위험을 크게 줄여준다.

메모리 안전성 검사 도구는 세그멘테이션 오류와 같은 메모리 관련 버그를 실행 중에 탐지하거나, 실행 전에 코드를 분석하여 사전에 예방하는 소프트웨어 도구이다. 이 도구들은 널 포인터 역참조, 버퍼 오버플로우, 메모리 누수, 해제된 메모리 접근과 같은 흔한 프로그래밍 오류를 찾아내는 데 특화되어 있다. 정적 분석 도구와 동적 분석 도구로 크게 구분되며, 컴파일 타임에 코드를 검사하거나 런타임에 특수한 라이브러리를 연결하여 프로그램의 메모리 접근 패턴을 감시하는 방식으로 작동한다.

주요 동적 분석 도구로는 AddressSanitizer(ASan), Valgrind, Dr. Memory 등이 널리 사용된다. AddressSanitizer는 컴파일러에 통합되어 실행 파일에 검사 코드를 삽입하며, 버퍼 오버플로우나 use-after-free 오류를 매우 빠른 속도로 탐지할 수 있다. Valgrind는 프로그램을 가상 머신에서 실행시키며 모든 메모리 접근을 검사하는 방식으로, 더 포괄적인 검사가 가능하지만 실행 속도가 상당히 느려지는 단점이 있다. 이러한 도구들은 디버깅과 테스트 단계에서 활발히 활용된다.

한편, 정적 분석 도구는 소스 코드나 바이너리를 실행하지 않고 분석하여 잠재적인 오류를 보고한다. Clang Static Analyzer, Coverity, PVS-Studio 등이 이에 해당하며, 코드의 제어 흐름과 데이터 흐름을 분석해 논리적 결함을 찾아낸다. 이들은 코드 리뷰를 보조하거나 CI/CD 파이프라인에 통합되어 지속적으로 코드 품질을 관리하는 데 유용하게 쓰인다. 효과적인 소프트웨어 개발을 위해서는 이러한 다양한 메모리 안전성 검사 도구들을 개발 단계에 조기에 도입하고 적절히 조합하여 사용하는 것이 중요하다.

세그멘테이션 오류를 예방하는 데 있어 코드 리뷰와 테스트는 핵심적인 실천 방법이다. 코드 리뷰는 다른 개발자가 작성한 코드를 검토하여 논리적 오류나 잠재적인 위험 요소를 사전에 발견하는 과정이다. 특히 포인터 연산, 동적 메모리 할당, 배열 인덱스 접근과 같이 세그멘테이션 오류의 주요 원인이 되는 코드 부분에 집중하여 검토한다. 이를 통해 단순한 실수나 잘못된 가정으로 인한 널 포인터 역참조나 버퍼 오버플로우를 줄일 수 있다.

체계적인 테스트는 코드가 의도대로 동작하고 메모리 안전성을 위반하지 않는지 검증하는 수단이다. 단위 테스트는 개별 함수나 모듈의 정확성을, 통합 테스트는 모듈 간 상호작용에서 발생할 수 있는 문제를 찾아낸다. 세그멘테이션 오류를 유발할 수 있는 경계 조건, 예를 들어 배열의 마지막 요소를 넘어선 접근이나 메모리 할당 실패 후의 처리를 명시적으로 테스트하는 것이 중요하다.

코드 리뷰와 테스트는 상호 보완적으로 작용한다. 테스트를 통해 발견된 오류는 코드 리뷰의 중요한 검토 사례가 되며, 코드 리뷰에서 지적된 잠재적 위험은 새로운 테스트 케이스를 설계하는 데 활용된다. 이와 같은 반복적인 과정을 통해 소프트웨어 결함을 지속적으로 제거하고 메모리 안전성을 높일 수 있다.

버스 오류는 프로그램이 CPU가 허용하지 않는 방식으로 메모리에 접근하려고 시도할 때 발생하는 하드웨어 예외이다. 이는 운영체제에 의해 일반적으로 세그멘테이션 오류 신호(Unix 계열에서는 SIGBUS)로 처리되어 해당 프로세스가 종료된다. 세그멘테이션 오류와 유사하게 프로그램의 비정상 종료를 유발하지만, 기술적인 원인과 발생 메커니즘이 다르다는 점에서 구분된다.

주된 발생 원인으로는 잘못된 메모리 정렬 접근이 있다. 많은 CPU 아키텍처는 특정 데이터 타입(예: 정수, 부동소수점수)이 특정 메모리 주소 배수(예: 4바이트 경계)에 정렬되어 있을 것을 요구한다. 프로그래머가 직접 포인터 연산을 하거나 패킹된 데이터 구조를 잘못 해석할 때 이러한 정렬 요구사항을 위반하면 버스 오류가 발생할 수 있다. 또한, 존재하지 않거나 매핑되지 않은 물리 메모리 주소에 접근하려 할 때도 발생한다.

이 오류는 시스템 프로그래밍이나 하드웨어 제어, 특정 컴파일러나 아키텍처에 의존적인 저수준 코드를 작성할 때 더 흔히 마주칠 수 있다. C 언어나 C++와 같은 언어로 프로그래밍할 때, 특히 구조체의 메모리 레이아웃을 세심히 고려하지 않거나 형 변환을 과도하게 사용하는 경우 버스 오류의 위험이 증가한다.

버스 오류를 진단하기 위해서는 디버거를 사용하여 프로그램이 중단된 지점의 메모리 주소와 CPU 레지스터 상태를 확인하는 것이 일반적이다. 정적 분석 도구나 주소 산화기와 같은 도구를 활용하면 실행 전이나 실행 중에 잠재적인 정렬 문제나 잘못된 메모리 접근 패턴을 사전에 발견하는 데 도움이 될 수 있다.

메모리 보호는 운영체제가 프로세스 간 또는 프로세스와 커널 간의 메모리 공간을 분리하고, 허가되지 않은 접근을 방지하는 핵심적인 컴퓨터 보안 및 안정성 메커니즘이다. 이는 각 프로세스가 자신에게 할당된 가상 주소 공간 내에서만 메모리를 읽고 쓸 수 있도록 제한함으로써, 한 프로세스의 오류나 악의적인 행위가 다른 프로세스나 시스템 전체에 영향을 미치는 것을 차단한다. 메모리 보호가 없다면, 잘못된 포인터 연산으로 인한 세그멘테이션 오류가 단순히 해당 프로그램을 중단시키는 것을 넘어 시스템 전체를 불안정하게 만들거나 보안 취약점으로 악용될 수 있다.

이러한 보호는 주로 메모리 관리 장치와 가상 메모리 시스템에 의해 하드웨어 수준에서 구현된다. 운영체제는 페이지 테이블을 통해 각 가상 주소를 물리 주소로 매핑할 때, 해당 메모리 영역에 대한 접근 권한(읽기, 쓰기, 실행)을 함께 설정한다. 프로세스가 자신의 권한을 벗어난 메모리 영역(예: 커널 공간, 다른 프로세스의 공간, 아예 매핑되지 않은 주소)에 접근을 시도하면 MMU가 이를 감지하고 페이지 폴트나 접근 위반 같은 하드웨어 예외를 발생시킨다. 이 예외는 운영체제가 처리하며, 일반적으로 해당 프로세스에 SIGSEGV 같은 신호를 보내 강제 종료시킨다.

메모리 보호의 주요 목표는 격리, 안정성, 보안이다. 격리는 프로세스 간 간섭을 방지하고, 안정성은 하나의 프로그램 결함이 시스템 전체를 중단시키는 것을 막는다. 보안 측면에서는 악성 코드가 중요한 시스템 데이터를 읽거나 덮어쓰는 것을 방지한다. 현대 운영체제에서는 주소 공간 배치 난수화, 데이터 실행 방지, 스택 가드 등 메모리 보호를 강화하는 다양한 기법이 추가로 적용되어, 버퍼 오버플로우 공격 같은 위협을 더 효과적으로 완화한다.

가상 메모리는 운영체제가 제공하는 메모리 관리 기법으로, 각 프로세스에게 연속적이고 독립된 주소 공간을 제공한다. 이는 세그멘테이션 오류의 발생과 직접적인 관련이 있다. 가상 메모리 시스템에서는 프로세스가 접근하는 주소가 가상 주소이며, 이는 메모리 관리 장치(MMU)에 의해 실제 물리 메모리 주소로 변환된다. 이 과정에서 운영체제는 각 프로세스의 가상 주소 공간을 페이지 단위로 나누어 관리하며, 접근 권한(읽기, 쓰기, 실행)을 설정한다.

프로세스가 자신에게 할당되지 않은 가상 주소 영역에 접근하거나, 접근 권한이 없는 방식(예: 읽기 전용 페이지에 쓰기)으로 메모리에 접근하려고 하면 메모리 관리 장치가 이를 감지한다. 이 하드웨어 수준의 예외는 운영체제에 전달되며, 운영체제는 일반적으로 해당 프로세스를 강제 종료시키고 세그멘테이션 오류 신호(예: 유닉스 계열의 SIGSEGV)를 발생시킨다. 따라서 세그멘테이션 오류는 가상 메모리 시스템이 제공하는 메모리 보호 기능이 위반되었음을 나타내는 주요 지표이다.

가상 메모리는 널 포인터 역참조나 버퍼 오버플로와 같은 잘못된 메모리 접근으로부터 시스템 전체의 안정성을 보호하는 역할도 한다. 한 프로세스의 오류가 다른 프로세스의 메모리나 운영체제 커널 영역을 침범하는 것을 방지함으로써, 단일 프로그램의 결함이 전체 시스템을 다운시키는 것을 막는다. 이는 멀티태스킹 환경에서 시스템의 신뢰성을 유지하는 데 필수적이다.