Chapter 7: 메모리 관리

01 Jan 2022 in Study Log on C++, Professional C++

이 장에서 배울 내용

• 다양한 메모리 사용 및 관리 방법
• 스마트 포인터의 개념과 사용법
• Garbage Collection
• 흔히 발생하는 메모리 문제

• 들어가기전에
• 동적 메모리 다루기
  • 포인터 연산
• Garbage Collection
• 흔히 발생하는 메모리 문제
  • Underallocation
  • 메모리 경계 침범
  • Memory Leak
  • Double Free & Dangling Pointer

들어가기전에

언어의 기본 문법(new/delete 등…)이나 배열 할당 등 기본적인 내용에 대해서는 다루지 않고 넘어가도록 하겠습니다.
어디까지나 새로 배운 혹은 나중에 다시 보더라도 짚고 넘어가야할만한 내용들을 정리해보자는 목적에 충실하기 위함입니다.

동적 메모리 다루기

• 메모리 할당(new)한 경우 해제(delete)를 꼭 해줄 것
  • 메모리 할당 해제 시 포인터를 nullptr로 초기화하여 dangling pointer / use after free / double free 방지
• nullptr에 대한 delete는 NOOP입니다. (은근히 이거 체크하고 delete 콜하는 경우가 많던데 불필요한 코드입니다.)
• RAII^{resource acquisition is initialization} 기법을 활용할 것
  자원 할당은 초기화이다. 라는 이 애매한 기법은 실제로도 많이 사용되는 C++ 중요한 기법인데요, 사실 이보다는 scope guard라는 말이 더 와닿는 용어 일 것 같습니다. 클래스의 생성자에서 객체에 필요한 자원들을 할당하고, 소멸자에서 할당받은 자원들을 전부 해제함으로서 객체의 수명(lifetime)에 따라 자원의 할당/해제가 자동적으로 이루어지게 하는 기법으로 memory leak을 방지하는데 매우 효과적이거든요. 이러한 “자원”에는 메모리 뿐만이 아니라 mutex등의 락이 사용될 수도 있다는 점에서 정말로 자주 사용되는 기법입니다.

포인터 연산

C++ 컴파일러는 포인터 연산을 수행할 때 포인터에 선언된 타입을 이용합니다. 포인터를 int로 선언하고 그 값을 1만큼 증가시키면 포인터는 메모리에서 한 바이트가 아닌 int 크기만큼 이동합니다.

int* my_array = new int[8];

my_array[2] = 22;
printf("%d\n", *(my_array + 2)); // 22

포인터 연산은 뺄셈도 유용합니다. 한 포인터에서 같은 타입의 포인터를 빼면 두 포인터 사이에 몇 바이트가 있는지가 아니라 포인터에 지정한 타입의 원소가 몇 개 있는지 알 수 있습니다.

Garbage Collection

GC를 제공하는 환경이라면 프로그래머가 객체에 할당된 메모리를 직접 해체하기 보다는 더 이상 참조하지 않는 객체를 garbage collector가 주기적으로 확인하여 자동으로 해제합니다. C++은 GC가 기본으로 구현되어 있지 않는데, 이는 GC가 성능 저하 뿐만 아니라 몇가지 단점을 가지고 있어 언어 차원에서 기본적으로 제공하기에는 부적절하기 때문입니다. (C++는 low level programming에도 많이 사용되니까요.)

메모리 자동 해체를 위해서 사용되는 기법 몇가지를 소개해드리자면

1. Object Pool
   메모리 할당/해제 횟수가 줄어들기 때문에 성능면에서도 이득을 주는 기법입니다. 한 번에 다수의 객체를 할당받아 Object Pool로 사용하여 필요할때마다 풀에서 받아서 사용하고, 필요없어진 객체는 다시 풀에 반환하는 형식입니다.
2. Smart Pointer (reference counted pointer)
   C++에서 기본으로 제공하는 unique_ptr나 shared_ptr등을 사용하거나 직접 reference counting을 구현하여 만드는 방법등이 이에 속합니다. 구현도 (생각보다..?) 쉽고 사용도 쉬워 많이 사용됩니다.
3. 직접 GC 구현 (Epoch Based Reclamation 이라던지…)
   일반적인 GC는 multi thread 환경에 적합하지 않는 경우가 있습니다. reference_counting도 결국 atomic operation이 동반되기 때문에 일반 포인터보다는 성능 저하를 불러일으킬 수 있습니다. 이런 경우에 적합한 GC를 구현하는 것도 한가지 방법입니다. (관심이 있으시다면 EBR 관련된 논문 몇 개 찾아보시는 것을 추천드립니다.)

흔히 발생하는 메모리 문제

Underallocation

C 스타일 스트링에서 가장 흔히 발생하는 문제인 과소 할당^{underallocation}입니다. NULL 문자 '\0'가 들어갈 공간을 빼먹고 공간을 할당할 때 발생하는데요, 직접적인 할당 문제도 있지만, null-terminated(스트링의 끝에 NULL이 존재함)를 보장하지 않는 API를 사용하면서 null 문자가 있을 것이라고 어림짐작하고 코드를 짜는 경우에도 발생할 수 있습니다. (이런 경우 문제를 잡기가 더더욱 힘든 경우가 많은데 대부분의 API 호출시에는 null문자가 들어있지만 간혹가다 없는 경우가 발생하기 때문입니다.)

메모리 경계 침범

배열의 경계를 벗어나는 buffer overflow, 혹은 스트링에서 앞선 문제와 겹쳐서 발생할 수 있는 문제입니다. 의도한 메모리를 넘어서는 영역을 읽거나 쓰면서 발생하는 문제들의 총칭으로 SIGSEGV 시그널을 받고 프로그램이 죽거나 Undefined behavior로 빠져듭니다.

Memory Leak

메모리를 할당하였으나 해제하지 않은 채 해당 메모리를 가르키는 모든 포인터가 사라지는 경우 메모리 누수^{memory leak}가 발생한다고 합니다. 문제가 발생하여도 어디가 문제인지, 어떻게 해결하는지 찾기 어렵기 때문에 최대한 raw pointer 사용을 지양하고 smart pointer 사용, RAII 기법등을 활용하는 것이 중요합니다.

new / delete 커플링이 완벽하여도 memory leak은 발생할 수 있습니다. 아래 간단한 예제에서는 2가지 memory leak이 발생할 수 있습니다.

1. int* ptr2 = new int(2);에서 메모리 할당을 하다가 OOM등의 예외를 만날 경우 이미 할당이 완료된 ptr1이 가르키던 객체에 접근할 수 없게 되어 memory leak이 발생합니다. 아래 단순한 예제에서는 exception 발생시 프로그램이 바로 종료되기 때문에 큰 문제는 없지만 exception handling을 하는 경우에도 꼭 ptr1에 대한 체크 후 할당 해제를 진행하여야 합니다.
2. do_something2()에서 메모리 할당 해제를 하지 않은 채로 ptr에 새로운 객체를 덮어 씌우고 있습니다. 기존 객체에 접근할 방법이 없습니다. 위에 비하면 단순한 코딩 실수입니다.

void do_something1(int* ptr1, int* ptr2) {
    // ...
}

void do_something2(int* ptr) {
    // Memory Leak: Original object from `ptr` cannot be reached after this line.
    ptr = new int(3)
}

int main() {
    int* ptr1 = new int(1);
    // What if OOM happens at next line? object pointed by ptr1 is leaked!
    int* ptr2 = new int(2);

    do_something1(ptr1, ptr2);
    do_something2(ptr1);

    delete ptr1;
    delete ptr2;
}

Double Free & Dangling Pointer

delete로 포인터에 할당된 메모리를 해제하였지만 해당 메모리 주소를 가르키는 포인터(dangling pointer라 부릅니다)가 남아 있어 이를 사용하였을 경우(use-after-free) 혹은 다시 delete를 실행하는 경우(double free) 문제가 발생합니다. 해결법으로는

1. 메모리 할당 해제 후에는 바로 nullptr로 초기화를 진행해줍니다.
2. 같은 메모리 주소를 가르키는 포인터가 많은 경우 smart pointer를 사용합니다.

등이 있습니다.

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