[CS기초] 동적 메모리 할당 (힙, sbrk, malloc ,free)

동적 메모리 할당 (힙, sbrk, malloc ,free)

운영체제와 시스템 프로그래밍을 공부할 때 빠질 수 없는 주제 중 하나가 바로 동적 메모리 할당(Dynamic Memory Allocation)인데요. 이번 글에서는 동적 메모리 할당과 관련된 핵심 개념들인 힙(Heap), sbrk, malloc, free에 대해 정리해 보겠습니다.

 

 

동적 메모리 할당이란?

• 정의: 프로그램 실행 도중에 필요한 메모리 크기를 결정하고, 이를 운영체제로부터 요청하여 사용하는 것
• 필요성
  • 컴파일 시점에 데이터 크기를 알 수 없는 경우
  • 프로그램 실행 중 데이터 구조(배열, 연결 리스트 등)의 크기가 가변적인 경우
• 대표 예시
  • malloc, calloc, realloc, free 함수 사용

 

힙(Heap) 영역

• 정의
  • 프로그램 메모리 영역 중 하나로, 동적 할당을 위해 사용되는 공간
  • 스택(Stack)과 반대 방향(아래에서 위로)으로 메모리가 확장된다
• 특징
  • 명시적으로 할당(malloc)하고 해제(free)해야 한다
  • 메모리 누수(leak)와 단편화(fragmentation) 문제가 발생할 수 있다

 

sbrk와 brk

• sbrk(intptr_t increment):
  • 힙 영역의 끝 주소를 증가시키는 시스템 호출
  • 전통적인 메모리 할당 방법
  • increment만큼 프로그램 데이터 세그먼트(힙)의 크기를 늘린다
  • sbrk(0)은 현재 프로그램 브레이크(힙의 끝)를 반환한다
• brk(void *end_data_segment):
  • 브레이크 포인터를 직접 지정하는 시스템 호출. (보통 sbrk보다 사용이 덜 일반적임)

참고로, 현대 시스템에서는 sbrk 대신 mmap을 활용하여 메모리를 관리하는 경우도 많은데요. 특히 대규모 메모리 요청 시에 이를 많이 활용하게 됩니다.

 

 

malloc과 free

malloc

• malloc(size_t size)
• 기능: size 바이트만큼 힙에서 메모리를 할당하고 그 포인터를 반환
• 실패 시 NULL 반환
• 내부 동작
  • 필요한 크기의 블록을 찾아 반환하거나
  • 적절한 블록이 없으면 sbrk로 힙을 확장

int *arr = (int *)malloc(10 * sizeof(int));
if (arr == NULL) {
    // 메모리 할당 실패 처리
}

free

• free(void *ptr)
• 기능: malloc 등으로 할당한 메모리를 해제.
• 주의사항
  • 이미 해제된 메모리를 다시 해제(double free)하면 안 됨
  • 해제한 후 해당 포인터를 사용하면 use-after-free 에러 발생

free(arr);
arr = NULL; // 습관적으로 NULL로 초기화하면 좋음.

 

 

추가로 알아두면 좋은 것들

• calloc: 초기화를 0으로 채운 후 메모리를 할당하는 함수
• realloc: 이미 할당된 메모리 블록의 크기를 조정하는 함수
• 메모리 단편화 문제
  • 많은 할당/해제 작업 후 힙이 조각나게 되면 메모리 낭비가 발생할 수 있음
• 메모리 누수
  • malloc으로 할당한 메모리를 free하지 않으면 프로그램 종료 전까지 해제되지 않아 리소스가 낭비됨