[C++] C언어 메모리 구조, 스택프레임, 동적 할당

29 Feb 2024 in Develop on Dev.Log, C++ 2024-03-01

출처

Change is the only constant 블로그 링크
cmaven 깃블로그 링크

메모리 구조
스택프레임
프로그램 실행에 따른 메모리 변화
메모리 동적 할당

메모리 구조

메모리 C 운영체제

프로그램 실행이되면 OS는 이 프로그램 정보를 읽어 메모리에 Load하게 된다. 이렇게 HDD에 로드 된 프로그램 코드는 CPU에 의해 실행되고 메모리를 관리하게 된다

프로세스 (Process)

실행중인 프로그램. CPU가 실행 파일에 있는 명령들을 실행하려면 먼저 운영체제가 실행 파일의 명령들을 읽어서 메모리에 재구성

세그먼트 (Segment)

여러 정보나 사용자가 입력한 데이터를 기억하는 메모리 공간

Code Segment (Text Segment)
- 작성한 코드가 기계어로 변역되어 저장되는 곳
- 프로그램이 실행되면, 이 영역에 있는 코드들이 한 줄씩 실행
- read-only 영역이라 데이터들이 변경될 수 없음
- rodata(read-only data)인 상수리터럴도 이 영역에 저장
Data Segment

전역변수(global), 정적변수(static), 배열(array), 구조체(structure) 등이 저장 이영역은 read-only가 아니므로 프로그램 실행 중에 값이 바뀌는 것이 가능

Initialized Data Segment
- 프로그래머가 직접 초기화를 해준 전역변수와 정적변수가 저장되는 곳
Unintialized Data Segment (BSS segment (Block Started by Symbol))
- 초기화 되지 않은 전역변수와 정적변수가 저장되는 곳
- 초기화 되지 않은 변수는 커널이 자동으로 0으로 초기화시킨다.

Stack
- 스택 영역은 힙영역과 인접해있고, 메모리 주소가 높은 곳에서 낮아지는 방향으로 자람
- 함수의 호출과 관계되는 지역 변수와 매개 변수가 저장되는 영역
- 컴파일 시 크기가 결정
- 프로그램이 자동으로 사용하는 임시 메모리 영역
- 함수가 호출되면 함수의 스택 프레임(stack frame)이 생성되고, 스택 프레임이 스택에 추가 됨
- 함수의 실행이 끝나 함수가 반환 될 때 스택 프레임이 스택에서 제거
- LIFO(Last In First Out)
Heap
- 동적할당(malloc, realloc, free)으로 할당한 메모리들이 위치하는 영역
- 스택과 반대로 메모리 주소가 낮은 곳에서 높은 곳으로 증가
- 런타임 시 크기가 결정
- 힙 영역은 라이브러리와 프로세스에서 동적으로 로드 된 모듈들끼리 공유할 수 있는 영역
- 메모리 할당 해제를 위해 free를 꼭 해줘야 함

스택프레임

int sum(int a, int b) {return (a+b);}

int main(void)
{
  int c = sum(1,2);
  return c;
}

스택프레임의 구성
RET (Return address) // 함수가 종료된 후 반환되어 돌아갈 위치를 담고 있음
RBP (Base Pointer Register) // 스택의 가장 낮은 위치를 가리킴 (메모리에서 제일 높은 주소). 여기부터 스택이 쌓이기 시작할 거라고 알려줌
RSP (Stack Pointer Register) // 스택에 새로운 값이 들어올 때마다 스택의 top을 추적
로컬변수 저장을 위한 메모리 공간
매개변수 저장을 위한 메모리 공간

다음으로 sum() 함수가 호출되면 sum() 함수의 스택프레임이 스택에 push 됨
함수가 끝나면 해당 스택프레임은 스택에서 제거되고 RET 정보에 따라 돌아 가야할 위치로 돌아감

프로그램 실행에 따른 메모리 변화

메모리 동적 할당

지역변수와 같이 함수가 호출될 때 매번 할당이 이루어지지만, 할당이 되면 전역변수처럼 함수를 빠져나가도 소멸되지 않는 성격의 변수를 선언할 때 유용

해당 변수를 힙 영역에 할당 및 소멸

#include <iostream>
void * malloc(size_t size);     // 힙 영역에 메모리 공간 할당
void free(void * ptr);          // 힙 영역에 할당된 메모리 공간 해제
// 성공 시 할당된 메모리 주소 값, 실패시 NULL 값 반환

반환형이 void형 포인터인 malloc 함수는 형변환이 필수, 형변환 없을 경우 오류 발생

void * ptr = malloc(sizeof(int));
// *ptr = 20;       // Error! ptr이 void형 포인트 이므로 형변환이 필수

// 선언 방법
int * ptr1 = (int *)malloc(sizeof(int));
double * ptr2 = (double *)malloc(sizeof(double));
int * ptr3 = (int *)malloc(sizeof(int) * 5);
double * ptr4 = (double *)malloc(sizeof(double) * 10);

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

char* ReadUserName(void)
{
    //char buf[30];
    char* name = (char*)malloc(sizeof(char) * 30);
    printf("이름?:");
    /* 이 경우, free() invalid pointer 에러가 발생함
       이는, malloc으로 할당받은 주소값을 name에 넣어놓고,
       name의 주소값을 변경 한 후, free를 수행하기 때문에,
       프로그램은 free 수행 시, 반환해야할 메모리를 잘못 참조하게 되기 때문
    fgets(buf, sizeof(buf), stdin);
    strncpy(name, buf, sizeof(buf)-1);
    name[sizeof(name)-1] = 0;
    name = buf;
    */
    fgets(name, sizeof(char) * 30, stdin);
    // gets(name); // gets은 메모리 사용 위험으로 권장하지 않음
    return name;
}

int main()
{
    char* name1;
    char* name2;

    name1 = ReadUserName();
    printf("name1: %s", name1);

    name2 = ReadUserName();
    printf("name2: %s", name2);

    printf("again name1: %s", name1);
    printf("again name2: %s", name2);

    free(name1);
    free(name2);

    return 0;
}

calloc 함수

malloc이 100 바이트를 힙 영역에 할당해주세요 라면, calloc은 4바이트 크기의 블록(elt_size) 25개(elt_count)를 힙 영역에 할당해 주세요. 또한, calloc은 할당된 공간을 모두 0으로 초기화

#include <stdlib.h>
void * calloc(size_t elt_count, size_t elt_size);
// 성공 시 할당된 메모리 주소 값, 실패시 NULL 반환

realloc 함수

ptr이 가리키는 메모리 크기를 size 크기로 조절하는 함수

#incldue <stdlib.h>
void * realloc(void * ptr, size_t size);
// 성공 시 할당된 메모리 주소 값, 실패 시 NULL 반환

 int * arr = (int *)malloc(sizeof(int)*3);
 arr = (int *)realloc(arr, sizeof(int)*5);

메모리 구조

스택프레임

프로그램 실행에 따른 메모리 변화

메모리 동적 할당

Templates (for web app):

Error