Park Wooseong

Just Learn it

new 및 delete의 기본 제공 버전을 다른 것으로 대체하는 작업을 언제 해야 의미가 있는가

잘못된 힙 사용을 탐지하기 위해

  1. new한 메모리에 delete를 하는 것을 잃어버리면 메모리가 누출되며, 한 번 new한 메모리르 두 번 이상 delete하면 미정의 동작이 발생하고 만다. 만일 할당된 메모리 주소의 목록을 operator new가 유지해 두고 operator delete가 그 목록으로부터 주소를 하나씩 제거해 주게 만들어져 있다면 이런 식의 실수는 쉽게 잡아낼 수 있다.

  2. 프로그래밍을 하다가 실수를 하다 보면 데이터 오버런(overrun, 할당된 메모리 블록의 끝을 넘어 뒤에 기록하는 것) 및 언더런(underrun, 할당된 메모리 블록의 시작을 넘어 앞에 기록하는 것)이 발생할 수 있다. 이런 경우 사용자 정의 operator new를활용한다면, 요구된 크기보다 약간 더 메모리를 할당한 후에 사용자가 실제로 사용할 메모리의 앞과 뒤에 오버런/언더런 탐지용 바이트 패턴(경계표지, signature)을 적어두도록 만들 수 있다. operator delete는 누군가가 이 경계표지에 손을 댔는지 안 댔는지 점검하도록 만든다. 만일 이 경계표지부분에 원래와 다른 정보가 적혀 있다면 할당된 메모리 블록을 사용하는 도중에 오버런/언더런이 발생한 것이므로, operator delte는 이 사실을 로그로 기록함으로써 문제를 일으킨 포인터 값을 남겨놓을 수 있다.

효율을 향상시키기 위해

컴파일러가 제공하는 기본 버전의 operator new 및 operator delete 함수는 대체적으로 일반적인 쓰임새에 맞추어 설계되었다. 즉 여러 가지 할당 유형도 소화할 수 있어야 하며 힙 단편화(fragmentation)에 대한 대처방안도 없으면 안 된다. 만일 개발자가 자신의 프로그램이 동적 메모리를 어떤 성향으로 사용하는지를 제대로 이해하고 있다면, 사용자 정의 operator new와 operator delete를 자신이 만들어서 쓰는 편이 기본제공 버전을 썼을 때보다 더 우수한 성능(빠른 실행속도, 적은 메모리 차지)을 낼 확률이 높다.

동적 할당 메모리의 실제 사용에 관한 정보를 수집하기 위해

사용자 정의 operator new 및 operator delete를 사용하면 메모리 블록의 크기, 할당 해제 순서, 사용패턴 동적 할당 메모리의 최대량 등의 정보를 아주 쉽게 수집할 수 있다.

오버런 및 언더런을 탐지하기 쉬운 형태로 만들어 주는 전역 operator new

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static const int signature = 0xDEADBEEF;
typedef unsigned char Byte;
 
// 이 코드는 고쳐야 할 부분이 몇 개 있습니다.
void* operator new(std::size_t size) throw(std::bad_alloc)
{
    using namespace std;
    // 경계표지 2개를 앞뒤에 붙일 수 있을만큼만 메모리 크기를 늘립니다
    size_t realSize = size + 2 * sizeof(int);  

    // malloc을 호출하여 실제 메모리를 얻어냅니다.
    void *pMem = malloc(realSize);             
    if (!pMem) throw bad_alloc();             
 
    // 메모리 블록의 시작 및 끝부분에 경계표지를 기록합니다.
    *(static_cast<int*>(pMem)) = signature;
    *(reinterpret_cast<int*>(static_cast<Byte*>(pMem)+realSize-
        sizeof(int))) = signature;
 
    // 앞쪽 경계표지 바로 다음의 메모리를 가리키는 포인터를 반환합니다.
    return static_cast<Byte*>(pMem) + sizeof(int);
}

위 예시의 틀린 점

  • operator new에는 new 처리자를 호출하는 루프가 반드시 들어 있어야 하는데 없다.
  • 바이트 정렬(alignment)

아키텍처적으로 특정 타입의 데이터가 특정 종류의 메모리 주소를 시작으로 하여 저장될 것을 요구사항으로 두고 있다. 포인터는 4바이트 단위로 정렬되거나 double은 8바이트 단위로 정렬되어야 한다.

모든 operator new 함수는 어떤 데이터 타입에도 바이트 정렬을 만족하는 포인터를 반환해야 한다는 것이 C++의 요구사항이다. 표준 malloc 함수는 이를 만족한다.

하지만 예시의 operator new 에서는 malloc에서 나온 포인터를 반환하지 않는다. 이런 경우 안전하다는 보장을 할 수가 없다.

꼭 만들어 쓸 이유가 없다면 굳이 들이댈 필요는 없다.

Boost의 Pool 라이브러리에서 제공하는 메모리 할당자는 사용자 정의 메모리 관리 루틴으로 도움을 얻을 수 있는 가장 흔한 경우들 중 하나에 맞추어 튜닝되어 있는데, 크기가 작은 객체(소형 객체)를 많이 할당할 경우이다.

new 및 delete를 “언제” 대체하는 것인가

잘못된 힙 사용을 탐지하기 위해

동적 할당 메모리의 실제 사용에 관한 통계 정보를 수집하기 위해

할당 및 해제 속력을 높이기 위해

사용자 정의 버전이 특정 타입의 객체에 맞추어 설계되어 있으면 더 빠른 경우가 많다. Boost의 Pool 라이브러리에서 자공하는 할당자처럼 고정된 크기의 객체만 만들어주는 할당자의 전형적인 응용 예가 바로 클래스 전용(class-specific) 할당자다. 응용 프로그램이 단일 스레드로 동작하는데, 기본 컴파일러가 제공하는 메모리 관리 루틴이 다중 스레드에 맞게 만들어져 있다면, 스레드 안전성이 없는 할당자를 직접 만들어 씀으로써 상당한 속력 이득을 볼 수 있다.

기본 메모리 관리자의 공간 오버헤드를 줄이기 위해

범용 메모리 관리자는 사용자 정의 버전과 비교해서 속력이 느리고 메모리를 많이 잡아먹는 사례가 많다. 할당된 각각의 메모리 블록에 대해 전체적으로 지우는 부담이 꽤 되기 때문이다. 크기가 작은 객체에 대해 튜닝된 할당자(ex Boost-Pool)를 사용하면 이러한 오버헤드를 실질적으로 제거할 수 있다.

적당히 타협한 기본 할당자의 바이트 정렬 동작을 보장하기 위해

x86 아키텍처에서는 double이 8바이트 단위로 정렬될 때 R/W 속도가 가장 빠르다. 기본 제공 operaotr new 대신에 8바이트 정렬을 보장하는 사용자 정의 버전으로 바꿈으로써 성능을 끌어올릴 수 있다.

임의의 관계를 맺고 있는 객체들을 한 군데에 나란히 모아 놓기 위해

한 프로그램에서 자료구조 몇 개가 대개 한 번에 동시에 쓰이고 있다는 사실을 알고 있고, 앞으로 이들에 대해서는 페이지 부재(page fault: an exception that the memory management unit (MMU) raises when a process accesses a memory page without proper preparations.) 발생 횟수를 최소화하고 시픙 ㄹ경우, 해당 자료구조를 담을 별도의 힙을 생성하믕로써 이들이 가능한 적은 페이지를 차지하도록 하면 좋은 효과를 볼 수 있다. 이러한 메모리 군집화는 위치지정(placement) new 및 위치지정 delete를 통해 쉽게 구현할 수 있다.

그때그때 원하는 동작을 수행하도록 하기 위해

  1. 메모리 할당과 해제를 공유 메모리에다 하고 싶은데 공유 메모리를 조작하는 일은 C API로밖에 할 수 없을 때 사용자 정의 버전을 만드는 것이 좋다.(위치지정 new/delete가 적당하다)
  2. 응용 프로그램 데이터의 보안 강화를 위해 해제한 메모리 블록에 0을 덮어쓰는 사용자 정의를 만드는 경우

참고