[C/C++] malloc과 Stack과 Heap의 관계

이전 포스팅에서 스택 프레임 내에서 사라지는 지역 변수를 보존하기 위한 방법으로 동적 메모리를 사용한다고 했었다.

그리고 동적 메모리를 사용하려면 스택과 힙을 알아야 한다.

 

 

 

메모리 모델 : Stack vs. Heap

 

Stack은 무엇을 포함하는 가?
지역 변수, 인자, 리턴 주소

 

 

Heap이란 무엇인가?
변수와 비슷하지만 변수 이름이 없는 메모리 조각
(동적 변수, 무명 변수라고 부른다.)

 

Heap에 있는 동적 변수는 함수와 독립적으로 존재한다. 이는 전역 변수와 유사하다.

Heap에 있는 동적 변수는 동적으로 생성과 제거가 가능하다. 이는 전역 변수와 다른 점이다.

 

따라서 동적으로 생성하고 제거하기 하기위한 함수가 존재한다.

 

• 생성 함수
  • malloc(), new()
• 제거 함수
  • free()

 

 

Stack 지역 변수는 변수 선언을 어디에 위치했는지에 따라 생성과 제거시기가 암묵적으로 자동 결정된다.
반면, Heap 동적 변수는 개발자의 임의대로 프로그램 실행 도중 생성과 제거 위치를 정할 수 있다.

 

 

Java의 Heap과 Stack은?

 

자바에서도 Heap은 중요한 영역이다.

동적 변수를 다룬다는 점에서 C와 유사하지만, 다른 점도 많다.

 

A a = new A();

 

자바에서는 new A()를 통해 힙 영역에 동적 변수를 생성한다.

이 동적변수의 타입은 클래스 A이며, 자기 자신들을 구분하기 위한 '명찰표'인 OID를 가진다.

여기서 추론할 수 있는 것은 동적 변수의 크기는 클래스 객체의 크기에 따라 달라진다는 것.

다만, OID의 크기는 동일하다.

 

new A()는 OID를 리턴한다.

즉, Stack에 위치한 지역 변수 a는 OID를 가진다.

 

void m1(A arg) {
	B x = new B(arg);
    int y = 100;
    ...
}

public static void main(String[] args) {
	A a = new A();
    this.m1(a);
    ...
}

 

예시를 한 번 살펴보자.

a는 new A()를 통해 생성된 동적 변수의 OID # 1를 지닌다.

이 값이 m1 메서드를 통해서 전달되고, OID #1이 new B()의 인자로 삽입된다.

클래스 B의 동적 변수를 생성하기 위해 OID #1이 참조되고  OID #2가 반환된다.

결국 지역 변수 x가 OID #2를 가지게 되는 것이다.

 

 

 

동적 변수의 삭제는 garbage collection이 된다.(참고 mark-and-sweep 알고리즘)

사용하지 않는 쓰레기 값은 알아서 처리된다는 뜻이다.

 

 

동적 변수 malloc

 

malloc은 <stdlib.h>를 include해야 사용 가능하다.
malloc의 타입은 void *이다.
(void *) malloc(size_t size);
size_t는 결국
unsigned int이다.

 

 

void * 타입 변수는 어떤 타입 내용의 주소라도 주소라면 모두 담을 수 있는 변수임을 말한다.

하지만, int 형 데이터 주소를 가져오는 포인터의 타입을 void *라고 생각해보라.

포인터는 이 주소가 얼만큼의 바이트를 차지하는 지 모른다.

다시말해 형 변환이 없다면 얼마나 읽을 지 모르기 때문에 오류가 발생한다.

 

 

malloc도 마찬가지다.

리턴 타입이 void *이므로 제대로 사용하기 위해서는 형 변환이 무조건 필요하다.

사용은 아래와 같이 한다.

 

int *ptr1 = (int*) malloc(sizeof(int));
int *ptr2 = (int*) malloc(sizeof(int)*7);

*ptr1 = 20;
printf("%d \n", *ptr1);
free(ptr1);

int i;
for (i = 0; i < 7; i++) {
	ptr2[i] = i+1;
}
for (i =0; i < 7; i++) {
	printf("%d ", ptr2[i];
}
free(ptr2);

 

왜 위와 같은 노력을 두어 malloc을 사용하는가?

물론 'call of value로 인해 스택 프레임 내에서 사라지고 말아버리는 지역변수를 위하여' 라고도 할 수 있지만,

대부분은 요소의 개수가 동적으로 정해질 때 유용하게 사용하기 위해서다.

왜냐? 프로그램을 시작하기 이전에 int arr[3]과 같이 요소의 개수가 미리 정해져 있으면, 활용도도 떨어지지 않는가

 

동적 변수의 삭제

 

malloc된 변수를 할당 해제 시켜주기 위해 free를 사용했다.

할당된 메모리 공간은 프로그램이 끝날 때까지 프로그램에 귀속되기 때문이다.

더 이상 쓸모가 없어지면 free 시켜주어야 한다.

 

 

🤔 왜 free를 시키는 가?

프로그램이 종료되면 어짜피 초기화 될꺼 굳이 왜 free 시키는지 의문이 든다.

여러가지 이유가 있지만 대표적으로 두가지로 나뉜다.

 

1. 메모리 리소스 관리 문제
malloc에 인자로 전달하는 메모리 크기가 매우 클 수 있고, malloc 호출 수가 많을 수 있다.

2. 최소한 프로그램이 수행되는 동안 해당 메모리를 다른 곳에 활용하기 어렵다.
cf. memory leak, out of memory error

 

 

 

 

안전한 프로그래밍 패턴

 

malloc은 문제가 생기는 경우 NULL을 리턴한다.

기본적으로 malloc은 운영체제에게 메모리 조각을 요청한다. 하지만 이때 문제가 발생해 heap 메모리가 확보가 안된다면?

malloc은 NULL을 리턴한다.

프로그램을 실행하는 도중에 메모리 확보가 안되어 프로그램이 종료되는 불상사를 피하기 위해 우리는 어느정도의 패턴을 준비해야한다.

그 예시는 다음 코드와 같다.

 

int * get_number() {
	int * p;
    p = (int *)malloc(sizeof(int));
    if (p == NULL) {
    	printf("No more memory available. \n");
        exit(1);
    }
    *p = 20;
    return p;
}

 

 

 

malloc 이 외의 동적 할당 함수

 

 

c언어 개발자님들은 malloc 이외에 다양한 메모리 동적 생성 방법을 고안해두셨다.

calloc, realloc, xalloc 등등.. 많은 방법이 있으나, 공통적으로 free가 필요하다.

 

어떤 차이점이 있는지 맛만 보고 가자.

 

• calloc
  • malloc과 동일하나 인자 전달 부분이 다르다. 메모리를 0으로 초기화 한다.

// 첫 번째 매개 변수가 공간 할당을 몇개 할 지 정하는 부분
int *p = (int *) calloc(24, sizeof(int));

 

 

• realloc
  • 이전 포인터 p 주위의 공간이 넉넉할 때, 주위의 메모리를 좀더 확보 한 후, p를 그대로 리턴한다.(= 재활용)
  • 공간이 없을 경우엔, 이전 포인터 p가 가리키는 공간을 반납하고, 새로운 공간을 확보/카피하여 리턴한다.
  • 즉, 공간을 반납하고 새로운 공간에 할당!
  • 일반적인 정적 배열을 나타내는 포인터에 대해서는 사용할 수 없다.

 

int *p = (int*)malloc(3 * sizeof(int));
// 기존 공간에 조금 더 확보!
int *new_p = (int *)realloc(p, 5 * sizeof(int));

 

 

동적 변수의 문제점

 

동적 변수가 마냥 좋은 점만 있지는 않다.

사용할 때 크게 두 가지 문제가 발생한다.

 

1. Dangling Pointer
이미 free 된 메모리조각을 다른 포인터 변수로 접근하려는 경우 발생한다.

 

아래 예시를 살펴보자

 

int *p, *q;
p = (int *) malloc(sizeof(int));
*p = 10;
q = p;
free(p);
p = NULL;
*q = 20;

 

p와 q는 모두 포인터 변수이다. p는 동적할당을 통해서 메모리 공간과 값을 받는다.

그리고 q는 p 주소를 그대로 받는다.

이제 p의 공간을 해제해주고 NULL 값을 준다. 이 사실이 의미하는 바는 q는 이제 주소가 없다는 것이다.

즉, 이미 free가 된 공간에 대해 q는 접근 할 수 없다. 이러한 포인터 p를 dangling pointer라고 부른다.

 

 

2. Memory Leak(메모리 누수)
공간을 반납하지도 않았고, 자기도 접근할 수 없다.

 

이전의 dangling pointer는 'free된 공간에 접근을 할 수 없다' 라는 뜻이었다.

반면, Mamory Leak은 '공간이 free되지도 않고, 접근도 안된다.' 라는 뜻이다. 뭔가 더 심각해보이긴 한다.

아래 예시를 보자.

 

int *p = (int *) malloc(sizeof(int));
int *q = (int *)malloc(sizeof(int));

*p = 10; *q = 20;
p = q;

 

p와 q는 각각 동적 할당을 받은 포인터이고, 이 포인터를 통해 값을 넣어주었다.

이때, p = q를 한다면? p는 q의 주소를 가지게된다. 그렇다면 기존의 p의 주소는 어떻게 되는가.

접근도 불가능하며, free도 되지 않은 어정쩡한 상태가 되는 것이다.