우리가 프로그래밍 언어로 작성한 프로그램을 실행시키기 위해서는 메모리 공간이 필요하다. 효율적으로 메모리를 관리하고 활용하는 사람이 좋은 프로그래머라고 볼 수 있다. 똑같은 기능을 구현하는데 A라는 프로그래머는 1기가바이트를 사용했고, B라는 프로그래머는 10기가바이트를 사용했다면 당연히 A 프로그래머가 만든 프로그램을 사용하지 않겠는가?
실행중인 프로그램은 운영체제로부터 메모리 공간을 할당 받는데, 할당되는 메모리 공간은 크게 데이터, 스택, 힙 영역으로 나눠진다.
▶ 데이터, 스택, 힙 영역이란?
데이터 영역에는 전역 변수와 static 변수가 할당된다. 전역 변수는 메인 함수의 밖에 선언되는 변수로 프로그램 어디에서나 접근이 가능하며 한번 초기화하면 두 번 다시 초기화 할 수 없다는 특징이 있다. 전역 변수와 static 변수 모두 초기화하면 다시 초기화할 수 없다는 공통점이 있지만, static 변수는 전역 변수와 달리 선언된 지역 내에서만 접근이 가능하다.
스택 영역에는 함수 호출 시 생성되는 지역 변수와 매개 변수가 저장된다. 지역 변수는 main 함수든 어떠한 형태의 함수든 함수의 몸체 부분에서 선언된 변수를 의미하고, 매개 변수는 함수의 선언부에 선언되는 변수들이다. 이 영역에 할당된 변수들은 함수 호출이 완료되면 사라진다는 특징이 있다.
힙 영역은 프로그래머가 필요에 따라 메모리를 할당하거나 소멸할 때 사용되는 메모리 공간이다. C언어에서는 malloc 함수를 이용해서 힙 영역에 메모리를 할당할 수 있고, 그 할당된 메모리는 free 함수를 호출함으로 소멸할 수 있다. malloc과 free의 역할은 C++에서 new와 delete로 대체된다.
메모리 구조를 그림1과 같이 간단히 나타낼 수 있다[1].
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▶ 데이터, 스택, 힙 영역에 메모리가 할당되고 소멸되는 방식을 보여주는 예제
간단한 예제를 통해 데이터 영역, 힙 영역, 스택 영역에 메모리가 할당되고 소멸되는지 확인해보자. 우선 코드는 그림1과 같다. 각 변수들 위에 어떤 변수인지 마킹해놓았다.
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이 프로그램을 시작하면 우선 7, 8번째 행에서 전역변수 k와 h를 선언한다. 전역변수는 데이터 영역에 할당된다(그림3-1).
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그 다음에는 main함수가 호출되고, 12행의 지역 변수 m이 스택 영역에 할당된다(그림3-2). 이때 데이터 영역에 할당된 전역변수들은 그대로 남아있다. 이것들은 프로그램이 종료될 때까지 메모리상에 존재하게 된다.
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14행에 도달하면 fct1함수를 호출하면서 인자로 m이 전달된다. fct1함수의 매개 변수 a는 500으로 초기화되고, fct1함수 내에 선언되어 있는 지역 변수 aa도 1로 초기화된다. 매개변수 a와 지역 변수 aa모두 스택 영역에 할당된다(그림3-3). main 함수는 아직 호출이 완료된 상태가 아니기 때문에 main함수를 위한 스택 공간은 아직 그대로 존재한다.
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다음 행으로 넘어가면, fct2함수가 호출되면서 인자로 m이 전달된다. 그 전에 fct1 함수는 호출이 완료되었기 때문에 fct1 함수를 위한 스택 공간은 소멸되고, 그 자리에 fct2 함수를 위한 공간이 할당된다. 마찬가지로 매개변수 b와 지역 변수 bb가 스택 영역에 할당된다(그림3-4).
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15행을 지나가면 마찬가지로 fct2함수를 위한 스택 공간이 소멸된다. 그리고 힙 영역에 메모리를 할당해주기 위한 코드 17~20행을 지나고나면, 힙 영역에 변수 s가 할당된다(그림3-5).
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22행에 이르면 free 함수로 인해 힙 영역에 할당되었던 변수 s를 위한 공간이 소멸된다. 그리고 main 함수가 종료되면서 main 함수에 할당되어 있던 스택 영역도 지워지고 처음에 데이터 영역에 할당된 전역 변수들을 위한 공간들도 지워진다(그림3-6).
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위 예제의 내용들을 엄밀히 따지면 조금 정확치 않은 부분들도 있겠지만, 이런 방식으로 메모리가 데이터 영역, 스택 영역, 힙 영역에 할당되고 소멸된다는 것을 알고 코딩한다면 훨씬 멋진 프로그램을 만들 수 있을 것이다.
<참고 자료>
[1] C 프로그래밍, 윤성우 지음, 프리렉, p. 571-592.
[2] 열혈 C++ 프로그래밍, 윤성우 지음, 오렌지미디어, p. 62-63.
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