Dynamic Memory Allocation

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개요

Figure 1. The heap

프로그래머들은 가상 메모리(virtual memory)를 습득하고 사용해야 할때, malloc() 함수와 같은 동적 메모리 할당기(dynamic memory allocator)를 사용한다. 동적 메모리 할당기는 프로세스의 가상 메모리 내에 있는 (heap)이라고 불리는 영역을 관리한다. 이때 각 프로세스마다 커널은 힙의 맨위를 가리키는 brk라고 하는 변수를 유지한다. Figure 1은 가상 메모리를 시각적으로 보여준다.

동적 메모리 할당기는 힙을 크기가 다양한 블록 들의 집합으로 유지한다. 이때 각 블록은 연속적인 가상 메모리 조각이며, 할당되었거나(allocated) 비어있다(free). 할당된 블록은 애플리케이션에 의해 명시적으로 사용하기 위해 예약된 블록이다. 또한 비어 있는 블록(free block)은 할당이 가능한 상태이며, 애플리케이션에 의해 명시적으로 할당될 때까지는 계속 비어 있는 상태로 남는다. 할당된 블록은 애플리케이션이 명시적으로 free 하거나, 메모리 할당기 자체가 암묵적으로 해제할 때까지는 계속 할당된 상태이다.

동적 메모리 할당기는 두 가지의 기본적인 스타일로 나뉜다. 이때 두 스타일 모두 애플리케이션이 명시적으로 블록을 할당해야 한다는 점은 공통되며, 할당된 블록을 누가 해제하는지에 따라 차이가 있다:

• 명시적 할당기(explicit allocators): 애플리케이션이 할당한 블록을 명시적으로 해제해야 한다.
  • 예를 들어, C 표준 라이브러리의 malloc 패키지가 이에 해당한다. C 프로그램은 malloc() 함수를 호출해 블록을 할당하고, free() 함수를 호출해 블록을 해제한다. C++의 new와 delete 호출도 이와 유사하다.
• 암시적 할당기(implicit allocators): 애플리케이션이 더 이상 할당된 블록을 사용하지 않게 되었음을 할당기가 감지해서 자동으로 해제한다.
  • 암시적 할당기는 가비지 컬렉터(garbage collectors)라고도 불리며, 사용되지 않는 할당된 블록을 자동으로 해제하는 과정을 가비지 컬렉션(garbage collection)이라고 한다.
  • 예를 들어, Lisp, ML, Java 같은 고급 언어들은 가비지 컬렉션에 의존해서 할당된 블록을 해제한다.

하지만, 해당 문서에서는 명시적 할당기의 설계와 구현에 대해 논의한다. 또한 앞으로 word 사이즈는 int를 기준으로 하고, 바이트가 아닌, 워드 단위로 주소를 사용한다고 가정한다.

The malloc and free Functions

C 표준 라이브러리는 malloc 패키지로 알려진 명시적 할당기를 제공한다. 프로그램은 malloc 함수를 호출하여 힙에서 블록을 할당한다:

#include <stdlib.h>
void *malloc(size_t size); //반환값: 성공하면 할당된 블록을 가리키는 포인터, 실패하면 NULL 반환

malloc 함수는 size 바이트 크기의 메모리 블록을 반환하며, 해당 블록에 포함될 수 있는 데이터 객체가 적절하게 정렬(alignment)되도록 한다. 실제로 이 정렬 방식은 코드가 32비트 모드(gcc -m32)로 컴파일되었는지 64비트 모드로 컴파일 되었는지에 따라 달라진다. 32비트 모드에서는, malloc이 반환하는 블록의 주소는 항상 8의 배수이고, 64비트 모드에서는, 그 주소가 항상 16의 배수이다(바이트 기준).

만약 초기화된 동적 메모리가 필요한 경우, 프로그램은 calloc() 함수를을 사용할 수 있으며, calloc() 함수는 내부적으로 malloc()을 호출하고 할당된 메모리를 0으로 초기화한다. 이미 할당된 블록의 크기를 변경하고 싶은 경우에는, realloc() 함수를 사용하면 된다. malloc()을 통해 동적으로 할당된 공간을 해제하고자 할때는, free() 함수를 이용하면 된다:

#include <stdlib.h>
void free(void *ptr); //반환값 없음

Figure 2. Allocating and freeing blocks with malloc and free

이때 ptr 인자는 malloc(), calloc(), 또는 realloc()을 통해 할당된 블록의 시작 주소를 가리켜야 한다. 그렇지 않은 경우, free의 동작은 정의되지 않는다(undefined behavior). Figure 2는 malloc()과 free()가 어떻게 작은 힙을 관리할 수 있는지를 보여준다. 이때 각 상자는 4바이트 워드를 나타내며, 따라서 해당 시스템은 32비트 시스템이다. 초기에는 힙이 더블 워드(8바이트) 정렬되어 있는 빈 메모리 공간이다:

1. Figure 2(a)에서는 프로그램이 4워드 블록을 요청한다. malloc은 비어 있는 블록의 앞쪽에서 4워드를 잘라 새 블록으로 만들고, 그 첫 번째 워드의 주소를 반환한다.
2. Figure 2(b)에서는 프로그램이 5워드 블록을 요청한다. 정렬을 유지하기 위해 malloc은 앞쪽에서 6워드 블록을 할당해준다.
3. Figure 2(c)에서는 프로그램이 6워드 블록을 요청하고, malloc은 비어 있는 블록에서 6워드를 잘라서 할당한다.
4. Figure 2(d)에서는 프로그램이 (b)에서 할당된 6워드 블록을 해제한다. free 호출이 끝난 후에도, 포인터 p2는 여전히 해제된 블록을 가리킨다.

• • 포인터 p2를 사용하지 않는 것은 애플리케이션에게 달려있다.

1. Figure 2(e)에서는 프로그램이 2워드 블록을 요청한다. malloc은 이전 단계에서 해제된 블록 중 일부를 재사용하여 새 블록을 할당하고, 해당 주소를 반환한다.