[C] C언어 메모리 관리 - 구조, 스택 프레임, 동적 할당

메모리의 구조

• 프로그램이 실행되기 위해서는 먼저 프로그램이 메모리에 로드(load)되어야 하며, 또한 프로그램에서 사용되는 변수들을 저장할 메모리도 필요하다. 따라서 컴퓨터의 운영체제는 프로그램의 실행을 위해 다양한 메모리 공간을 제공하고 있습니다.
• 프로그램이 운영체제로부터 할당받는 대표적인 메모리 공간은 다음과 같습니다.
  
  • 코드(code) 영역
  • 데이터(data) 영역
  • 스택(stack) 영역
  • 힙(heap) 영역

https://www.tcpschool.com/c/c_memory_structure

코드(code) 영역

• 메모리의 코드(code) 영역은 실행할 프로그램의 코드가 저장되는 영역으로 텍스트(code) 영역이라고도 부른다.
• CPU는 코드 영역에 저장된 명령어를 하나씩 가져가서 처리한다.

데이터(data) 영역

• 메모리의 데이터(data) 영역은 프로그램의 전역 변수와 정적(static) 변수가 저장되는 영역이다.
• 데이터 영역은 프로그램의 시작과 함께 할당되며, 프로그램이 종료되면 소멸한다.

스택(stack) 영역

• 메모리의 스택(stack) 영역은 함수의 호출과 관계되는 지역 변수와 매개변수가 저장되는 영역이다.
• 스택 영역은 함수의 호출과 함께 할당되며, 함수의 호출이 완료되면 소멸한다.
• 이렇게 스택 영역에 저장되는 함수의 호출 정보를 스택 프레임(stack frame)이라고 한다.
• 스택 영역은 푸시(push) 동작으로 데이터를 저장하고, 팝(pop) 동작으로 데이터를 인출한다. 이러한 스택은 후입선출(LIFO, Last-In First-Out) 방식에 따라 동작하므로, 가장 늦게 저장된 데이터가 가장 먼저 인출된다.
• 스택 영역은 메모리의 높은 주소에서 낮은 주소의 방향으로 할당된다.

힙(heap) 영역

• 메모리의 힙(heap) 영역은 사용자가 직접 관리할 수 있는 '그리고 해야만 하는' 메모리 영역이다.
• 힙 영역은 사용자에 의해 메모리 공간이 동적으로 할당되고 해제된다.
• 힙 영역은 메모리의 낮은 주소에서 높은 주소의 방향으로 할당된다.

 

스택 프레임(stack frame)

• 메모리의 스택(stack) 영역은 함수의 호출과 관계되는 지역 변수와 매개변수가 저장되는 영역이다.
• 스택 영역은 함수의 호출과 함께 할당되며, 함수의 호출이 완료되면 소멸한다.
• 함수가 호출되면 스택에는 함수의 매개변수, 호출이 끝난 뒤 돌아갈 반환 주소값, 함수에서 선언된 지역 변수 등이 저장된다. 이렇게 스택 영역에 차례대로 저장되는 함수의 호출 정보를 스택 프레임(stack frame)이라고 한다. 이러한 스택 프레임 덕분에 함수의 호출이 모두 끝난 뒤에, 해당 함수가 호출되기 이전 상태로 되돌아갈 수 있다.

스택 프레임의 동작 방식

int main(void) {
    func1();  // func1() 호출
    return 0;
}

void func1() {
    func2();  // func2() 호출
}
void func2() {
}

https://www.tcpschool.com/c/c_memory_stackframe

https://www.tcpschool.com/c/c_memory_stackframe

• 위 그림은 위 예제 코드에서 함수 호출에 의한 스택 프레임의 변화를 보여주고 있다.
  • 1. 프로그램이 실행되면, 가장 먼저 main() 함수가 호출되어 main() 함수의 스택 프레임이 스택에 저장된다.
  • 2. func1() 함수를 호출하면 해당 함수의 매개변수, 반환 주소값, 지역 변수 등의 스택 프레임이 스택에 저장된다.
  • 3. func2() 함수를 호출하면 해당 함수의 스택 프레임이 추가로 스택에 저장된다.
  • 4. func2() 함수의 모든 작업이 완료되어 반환되면, func2() 함수의 스택 프레임만이 스택에서 제거된다.
  • 5. func1() 함수의 호출이 종료되면, func1() 함수의 스택 프레임이 스택에서 제거된다.
  • 6. main() 함수의 모든 작업이 완료되면, main() 함수의 스택 프레임이 스택에서 제거되면서 프로그램이 종료된다.
• 이처럼 스택은 가장 나중에 저장된 데이터가 가장 먼저 인출되는 방식으로 동작하며, 이러한 방식을 후입선출(LIFO, Last-In First-Out) 방식이라고 한다.
• 이때 스택은 푸시(push) 동작으로 데이터를 저장하고, 팝(pop) 동작으로 데이터를 인출한다.

스택 오버플로우(stack overflow)

• 함수의 재귀 호출이 무한히 반복되면, 해당 프로그램은 스택 오버플로우(stack overflow)에 의해 종료된다. 만약 재귀 호출이 무한히 반복되면, 위 그림에서 Step 3 이후로는 재귀 호출에 의한 스택 프레임이 계속해서 쌓여만 갈 것이다. 이렇게 스택의 모든 공간을 다 차지하고 난 후 더 이상의 여유 공간이 없을 때 또 다시 스택 프레임을 저장하게 되면, 해당 데이터는 스택 영역을 넘어가서 저장된다.
• 이렇게 해당 스택 영역을 넘어가도 데이터가 저장될 수 있으면, 해당 프로그램은 오동작을 하게 되거나 보안상의 크나큰 취약점을 가지게 된다. 따라서 C언어에서는 실행 중인 프로그램에서 스택 오버플로우가 발생하면, 에러를 발생하고 곧바로 강제 종료시킨다.

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메모리의 동적 할당(dynamic allocation)

• 데이터 영역과 스택 영역에 할당되는 메모리의 크기는 컴파일 타임(compile time)에 미리 결정된다. 하지만 힙 영역의 크기는 프로그램이 실행되는 도중인 런 타임(run time)에 사용자가 직접 결정해야 한다. 이렇게 런 타임에 메모리를 할당받는 것을 메모리의 동적 할당(dynamic allocation)이라고 한다.

malloc() 함수

• malloc() 함수는 프로그램이 실행 중일 때 사용자가 직접 힙 영역에 메모리를 할당할 수 있게 해준다.

#include <stdlib.h>
void *malloc(size_t size);                    // size_t 타입은 부호없는 정수

• malloc() 함수는 인수로 할당받고자 하는 메모리의 크기를 바이트 단위로 전달받는다. 이 함수는 전달받은 메모리 크기에 맞고, 아직 할당되지 않은 적당한 블록을 찾는다. 이렇게 찾은 블록의 첫 번째 바이트를 가리키는 주소값을 반환한다. 힙 영역에 할당할 수 있는 적당한 블록이 없을 때에는 널 포인터를 반환한다. 주소값을 반환받기 때문에 힙 영역에 할당된 메모리 공간으로 접근하려면 포인터를 사용해야 한다.

calloc() 함수

• calloc() 함수는 malloc() 함수와 마찬가지로 힙 영역에 메모리를 동적으로 할당해주는 함수다.
• 이 함수가 malloc() 함수와 다른 점은 할당하고자 하는 메모리의 크기를 두 개의 인수로 나누어 전달받는 점이다. 또한, calloc() 함수는 메모리를 할당받은 후에 해당 메모리의 모든 비트값을 전부 0으로 초기화해 준다.
• calloc() 함수도 malloc() 함수와 마찬가지로 free() 함수를 통해 할당받은 메모리를 해제해 주어야 합니다.

#include <stdlib.h>
void *calloc(size_t nmemb, size_t size);

• calloc() 함수의 첫 번째 인수는 메모리 블록의 개수를 나타내며, 두 번째 인수는 각 블록의 바이트 수를 나타낸다. 따라서 calloc() 함수는 힙 영역에 size 크기의 메모리 블록을 nmemb개 할당받을 수 있도록 요청한다.
• 앞선 예제에서 사용한 malloc() 함수와 다음 예제의 calloc() 함수는 똑같은 동작을 수행한다.

ptr_arr = (int*) malloc(arr_len * sizeof(int));
ptr_arr = (int*) calloc(arr_len, sizeof(int));

free() 함수

• free() 함수는 힙 영역에 할당받은 메모리 공간을 다시 운영체제로 반환해 주는 함수다.
• 데이터 영역이나 스택 영역에 할당되는 메모리의 크기는 컴파일 타임에 결정되어, 프로그램이 실행되는 내내 고정된다. 하지만 메모리의 동적 할당으로 힙 영역에 생성되는 메모리의 크기는 런 타임 내내 변화한다. 따라서 free() 함수를 사용하여 다 사용한 메모리를 해제해 주지 않으면, 메모리가 부족해지는 현상이 발생할 수 있다. 이처럼 사용이 끝난 메모리를 해제하지 않아서 메모리가 부족해지는 현상을 메모리 누수(memory leak)라고 한다.

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

• free() 함수는 인수로 해제하고자 하는 메모리 공간을 가리키는 포인터를 전달받는다.
• 인수의 타입이 void형 포인터로 선언되어 있으므로, 어떠한 타입의 포인터라도 인수로 전달될 수 있다.
• 다음 예제는 크기가 고정된 배열이 아닌 런 타임에 크기가 결정되는 배열을 생성하는 예제다.

ptr_arr = (int*) malloc(arr_len * sizeof(int)); // 메모리의 동적 할당  

if (ptr_arr == NULL) { // 메모리의 동적 할당이 실패할 경우
    printf("메모리의 동적 할당에 실패했습니다.\n");
    exit(1);
}  

printf("동적으로 할당받은 메모리의 초깃값은 다음과 같습니다.\n");


for (i = 0; i < arr_len; i++) {
    printf("%d ", ptr_arr[i]);
}

free(ptr_arr);       // 동적으로 할당된 메모리의 반환  


// 동적으로 할당받은 메모리의 초기값은 다음과 같습니다.
// 0 0 0

realloc() 함수

• realloc() 함수는 이미 할당된 메모리의 크기를 바꾸어 재할당할 때 사용하는 함수다.

#include <stdlib.h>
void *realloc(void *ptr, size_t size);

• realloc() 함수의 첫 번째 인수는 크기를 바꾸고자 하는 메모리 공간을 가리키는 포인터를 전달받는다.
• 두 번째 인수로는 해당 메모리 공간에 재할당할 크기를 전달한다.
• 따라서 첫 번째 인수로 NULL이 전달되면, malloc() 함수와 정확히 같은 동작을 하게 된다.

ptr_arr = (int*) malloc(arr_len * sizeof(int)); // 메모리의 동적 할당  

if (ptr_arr == NULL) { // 메모리의 동적 할당이 실패할 경우
    printf("메모리의 동적 할당에 실패했습니다.\n");
    exit(1);
}  

printf("동적으로 할당받은 메모리의 초깃값은 다음과 같습니다.\n");

for (i = 0; i < arr_len; i++) {
    printf("%d ", ptr_arr[i]);
}

total_len = arr_len + add_len;

ptr_arr = (int*) realloc(ptr_arr, (total_len * sizeof(int))); // 메모리의 추가 할당

if (ptr_arr == NULL) { // 메모리의 추가 할당에 실패할 경우
    printf("메모리의 추가 할당에 실패했습니다.\n");
    exit(1);
}  

printf("\n추가로 할당받은 메모리의 초깃값은 다음과 같습니다.\n");

for (i = 0; i < total_len; i++) {
    printf("%d ", ptr_arr[i]);
}

free(ptr_arr); // 동적으로 할당된 메모리의 반환

// 동적으로 할당받은 메모리의 초기값은 다음과 같습니다.
// 0 0 0 
// 추가로 할당받은 메모리의 초기값은 다음과 같습니다.
// 0 0 0 0 0

• 위의 예제는 런 타임에 크기가 결정된 배열의 크기를 realloc() 함수를 사용해 다시 한 번 늘려주는 예제다.
• realloc() 함수는 만약 기존의 메모리 위치에 충분한 공간이 있다면 바로 이어서 추가 메모리 공간을 할당해 준다. 하지만 기존의 메모리 위치에 충분한 공간이 없으면 메모리의 다른 공간에 기존의 데이터를 복사한 후, 이어서 추가 메모리 공간을 할당한다.

 

Reference

• http://www.tcpschool.com