10. 메모리 할당과 자원 관리

언제 동적 저장 공간이 필요한가

고정 배열은 크기를 타입에 적습니다. 파일 크기나 입력 길이처럼 실행 중 알게 되는 양의 데이터를 저장하려면 동적 메모리를 사용할 수 있습니다. 할당한 공간은 더 이상 필요하지 않을 때 해제해야 합니다.

이번 장에서는 작은 할당을 직접 관리한 뒤 재할당과 Buffer로 발전시킵니다. 포인터만 전달하는 것과 소유권을 넘기는 것은 다릅니다. 각 함수가 어떤 자원을 소유하는지 따라가며 읽으십시오.

할당·검사·사용·해제

import("std::mem::alloc")::{
    mem_alloc_zeroed, mem_free
};

fun main() -> i32 {
    var size: i64 = 4;
    var data: ptr<u8> = mem_alloc_zeroed(size);

    if (data == null) {
        println("allocation failed");
        return 1;
    }

    deref data[0] = 42;
    println("{} {}", deref data[0], deref data[1]);

    var status: i64 = mem_free(data, size);

    if (status < 0) {
        return 2;
    }

    return 0;
}

실행 결과:

42 0

네 단계가 보입니다. 4바이트를 요청하고, null인지 확인하고, 유효 범위에서 사용하고, 마지막에 해제합니다. mem_alloc_zeroed는 성공한 메모리를 0으로 초기화하므로 아직 쓰지 않은 두 번째 바이트가 0입니다.

일반 mem_alloc의 초기 내용은 가정하지 않습니다. 읽을 영역은 먼저 초기화해야 합니다. 크기 0이나 음수의 할당은 null을 반환하며 양수여도 메모리 확보에 실패할 수 있습니다.

크기의 단위

메모리 할당 API의 size는 바이트 수입니다. 정수 열 개의 공간을 얻는다면 요소 크기에 개수를 곱해야 합니다. 곱셈이 범위를 넘지 않는지도 검사합니다.

import("std::mem::alloc")::{
    mem_alloc, mem_free
};
import("std::mem::layout")::{
    size_of
};
import("std::mem::ops")::{
    mem_size_mul_checked
};

fun main() -> i32 {
    var count: i64 = 3;
    var bytes: i64 = 0;
    var item_size: i64 = size_of<i32>() as i64;

    if (mem_size_mul_checked(count, item_size, &bytes) < 0) {
        return 1;
    }

    var raw: ptr<u8> = mem_alloc(bytes);

    if (raw == null) {
        return 2;
    }

    var values: ptr<i32> = raw as ptr<i32>;

    for (var index: i64 = 0; index < count; index += 1) {
        deref values[index] = (index + 1) as i32;
    }

    println("{} {} {}", deref values[0], deref values[1], deref values[2]);

    if (mem_free(raw, bytes) < 0) {
        return 3;
    }

    return 0;
}

실행 결과:

1 2 3

count는 요소 수, bytes는 바이트 수입니다. 포인터로 요소에 접근할 때는 i32 단위로 이동하지만 해제할 때는 원래 할당한 바이트 수를 전달합니다. size_of는 컴파일 대상의 크기를 돌려주므로 임의의 숫자를 넣는 것보다 타입과 연결이 명확합니다.

일반적인 아주 큰 타입에 size_of 결과를 i64로 바꾸는 경우에는 그 변환 범위도 고려해야 합니다. 여기서는 크기가 알려진 i32를 사용합니다.

실패 경로에서도 정리하기

할당 뒤 다른 작업이 실패하면 조기 return 전에 이미 얻은 메모리를 정리합니다. 소유권을 표로 적으면 놓치는 경로를 찾기 쉽습니다.

단계	소유한 자원	실패하면
할당 전	없음	바로 반환
할당 성공 후	data와 원래 크기	data 해제 후 반환
재할당 성공 후	새 주소와 새 크기	새 주소 해제
해제 후	없음	이전 주소 사용 금지

포인터 변수에 다른 값을 대입해 버려 원래 주소를 잃으면 해제할 방법도 잃습니다. 이런 문제가 누수로 이어집니다. 반대로 같은 할당을 두 소유자가 각각 해제하면 중복 해제가 됩니다.

크기를 늘리는 재할당

import("std::mem::alloc")::{
    mem_alloc, mem_realloc, mem_free
};

fun main() -> i32 {
    var data: ptr<u8> = mem_alloc(4);

    if (data == null) {
        return 1;
    }

    deref data[0] = 7;
    var next: ptr<u8> = mem_realloc(data, 4, 8);

    if (next == null) {
        mem_free(data, 4);
        return 2;
    }

    data = next;
    deref data[4] = 9;
    println("{} {}", deref data[0], deref data[4]);

    if (mem_free(data, 8) < 0) {
        return 3;
    }

    return 0;
}

실행 결과:

7 9

새 주소를 next에 먼저 받았습니다. 새 할당이 실패하면 기존 data가 유지되므로 그 주소로 정리할 수 있습니다. 성공하면 이전 공간은 해제되고 새 주소를 사용합니다. 늘어난 영역의 값은 직접 초기화합니다.

이 예제의 새 크기는 양수입니다. new_size=0은 기존 공간 해제를 시도하고 null을 반환하는 별도 동작이므로 “null이면 언제나 옛 공간이 살아 있다”고 생각하면 안 됩니다. 해제 상태를 확인해야 할 때는 mem_free를 직접 호출하십시오.

빌린 포인터를 다시 확인해야 하는 시점

data 내부를 가리키는 포인터를 저장해 두었다가 재할당 후 사용하는 것은 잘못입니다. 새 data의 주소가 달라질 수 있기 때문입니다. 내부 위치가 필요하면 주소 대신 offset을 저장하고 성공 후 새 data를 기준으로 다시 계산할 수 있습니다.

해제와 재할당은 소유자만의 문제가 아닙니다. 그 메모리를 빌린 다른 코드가 아직 사용하는지도 확인해야 합니다. 비동기 작업에 버퍼를 전달했다면 작업이 완료할 때까지 수명을 유지해야 합니다.

바이트 목록에는 Buffer

길이가 자주 바뀌는 바이트 목록을 직접 재할당하면서 관리하려면 len과 cap, 확장 실패, 크기 계산을 모두 처리해야 합니다. std의 Buffer는 이런 작업을 묶습니다.

import("std::buffer::alloc")::{
    Buffer, buffer_init, buffer_free
};
import("std::buffer::write")::{
    buffer_append_str
};

fun main() -> i32 {
    var message: Buffer;

    if (buffer_init(&message, 0) < 0) {
        return 1;
    }

    if (buffer_append_str(&message, "Hello") < 0) {
        buffer_free(&message);
        return 2;
    }

    if (buffer_append_str(&message, ", Wave") < 0) {
        buffer_free(&message);
        return 3;
    }

    println("bytes={}", message.len);

    if (buffer_free(&message) < 0) {
        return 4;
    }

    return 0;
}

실행 결과:

bytes=11

len은 사용 중인 바이트 수이고 cap은 할당 용량입니다. 용량이 부족하면 추가 과정에서 확장합니다. Buffer를 사용해도 마지막 해제 책임은 호출자에게 있습니다.

buffer_append_str은 문자열 끝의 NUL을 추가하지 않습니다. 따라서 message.data를 곧바로 str로 출력하면 안 됩니다. 바이트열은 길이를 받는 I/O 함수로 출력하거나 명시적으로 문자열 표현을 구성합니다.

연습과 풀이 방향

0부터 9까지의 바이트를 Buffer에 차례로 추가하고 합계를 구하십시오. 각 추가가 실패할 때 해제해야 하며 읽기는 len 범위에서만 수행합니다. 전체 풀이와 경계 실패는 Buffer 사용법의 예제를 따라 확인할 수 있습니다.

자기 코드에서 할당·재할당·해제 호출에 표시를 해 보십시오. 성공한 할당 하나마다 누가 소유하며 어느 경로에서 해제하는지 설명할 수 있어야 합니다.