7. [C언어] 구조체와 메모리 단편화

 

 

1. 구조체

 

구조체는 프로그래머가 여러 개의 자료형들을 묶어서

새로운 자료형을 만들 수 있는 방법입니다.

즉, 사용자 정의 자료형이죠.

 

구조체를 만드는 방법은 간단합니다.

struct 키워드 이후 중괄호 안에 자신이 사용하는 자료들을 넣어주면 됩니다.

 

typedef 키워드를 통해서도 이름을 다시 재정의 할 수 있습니다.

 

구조체의 선언은 이런 식으로 아주 손쉽게 할 수 있습니다.

 

 

초기화화는 구조체를 정의 할 때 해도 무방하고,

변수 선언 이후 따로 초기화를 해도 상관이 없습니다.

멤버에 대한 접근은 '.' 을 통해서 할 수 있고, 포인터 사용 시에는 '->' 를통해서 접근할 수 있습니다.

 

간단하게 구조체에 대해 알아봤으니

이제 중요한 부분인 구조체의 메모리 단편화에 대해서 알아보겠습니다.

 

 

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2. 메모리 단편화 (Memory Fragment)

 

메모리 단편화란

RAM에서 메모리의 공간이 작은 조각으로 나뉘어져

메모리가 충분히 존재하지만, 할당이 불가능한 상태를 말합니다.

즉, 쉽게 말하면 내 RAM은 여유 공간은 수치상 충분하다고 나오는데, 이 공간을 사용할 수 없다는 말입니다.

 

예를 들면, PC에 RAM이 8GB가 장착되어있다고 가정합시다.

게임을 실행하는데 RAM이 4GB, 멜론을 실행하는데 4GB가 소모된다고 할 때,

메모리 단편화 문제가 발생하면 2개의 프로그램을 동시에 실행시킬 수 없는 상태가 됩니다.

 

메모리 단편화에는 

내부 단편화(Internal Fragmentation),

외부 단편화(External Fragmentation)

두 가지가 있습니다.

 

내부 단편화는 메모리를 할당할 때,

프로세스가 필요한 양 보다 더 큰 메모리가 할당되어서

프로세스에서 사용하는 메모리 공간이 낭비되는 상황을 뜻합니다.

즉, 게임을 실행하는데 4GB만 필요한데, 이 이상으로 할당되는 상황을 말하죠.

 

 

외부 단편화는 메모리가 할당되고 해제되는 작업이 반복될 때,

작은 메모리가 중간중간 존재합니다.

이때, 중간중간에 생긴 사용하지 않는 메모리가 많이 존재하여

총 메모리 공간은 충분하지만, 실제로는 할당할 수 없는 상황을 말합니다.

예를 들면, RAM을 2GB 정도 소모하는 프로세스를 할당하고,

바로 이어서 4GB짜리 프로세스가 할당되었다고 가정합니다.

2GB짜리 프로세스를 종료시키면, 메모리의 처음 주소부터 2GB만큼의 공간이 생기게 됩니다.

이런 식으로 빈 메모리가 쌓이는 과정이 반복되게 되면서

여유 공간은 수치상으로 4GB가 있는데,

3GB짜리 프로세스를 할당해야 할 때, 마땅한 공간이 없어지게 될 때 

외부 단편화가 생겼다고 합니다.

 

여기서 우리가 구조체를 정의할 때

조심해야 할 부분은 바로 내부 단편화입니다.

 

 

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3. 구조체의 메모리 단편화

 

"32비트 환경에서 구조체의 메모리 처리 단위는 4바이트입니다.

구조체 멤버(기본 자료형) 중에서 가장 큰 멤버를 기준으로 삼습니다."

이 말이 무슨 말인지 한 번 알아보겠습니다.

 

우리가 위에서 정의한 구조체는 몇 바이트일까요?

int 자료형 4바이트

short 자료형 2바이트

char 자료형 1바이트

double 자료형 8바이트

총 합 15바이트가 나오네요.

과연 정말 15바이트가 나오는지 sizoef 연산으로 확인해보겠습니다.

 

확인 결과 16바이트라는 값이 나왔습니다.

어째서 이런 결과가 나왔는지 한 번 분석해보겠습니다.

 

"32비트 환경에서 구조체의 메모리 처리 단위는 4바이트입니다.

구조체 멤버(기본 자료형) 중에서가장 큰 멤버를 기준으로 삼습니다."

 

우선, 우리가 정의한 구조체 안에서 가장 큰 멤버는 double자료형입니다.

double 자료형의 크기는 8바이트이므로 8바이트가 메모리 처리 기준이 됩니다.

구조체에 정의된 순서대로 할당을 해보면

맨 먼저 int 자료형을 선언했으므로, 4바이트가 할당됩니다.

그러면 첫 8바이트 중에 4바이트를 소비하게 되죠.

이후 나머지 공간에 각각 순서대로 short(2바이트), char(1바이트) 자료형의 크기만큼 할당이 됩니다.

여기서 남은 1바이트에 double형을 할당할 수 없으니, 새로운 8바이트 공간을 가져오게 되죠.

 

이러한 과정을 거치면서 15바이트가 아닌 16바이트의 메모리 공간을 사용하게 되었습니다.

즉, 우리는 1바이트의 공간을 사용할 수 없게 되는 것이죠.

 

그럼 이번에는 맨 마지막에 있는 double 자료형과 char 자료형의 위치를 바꿔보도록 하겠습니다.

 

분명 같은 자료형인데 8바이트나 더 큰 24바이트라는 결과가 나왔습니다.

 

다시 그림으로 설명해 보면

이러한 형태로 할당이 이루어진 것을 알 수 있습니다.

 

 

구조체를 사용할 때 메모리 단편화를 일으키지 않도록

최대한 멤버 변수의 순서도 고려하는 것이 중요합니다.