🐍메모리 구조 및 메모리 할당 과정

1) Everything is object in Python

a = [1,2]
b = 3
c = 's'
d = {"a":1, "b":3}

print(type(a))
print(type(b))
print(type(c))
print(type(d))

>> <class 'list'>
>> <class 'int'>
>> <class 'str'>
>> <class 'dict'>

👉🏼 파이썬에서 변수를 할당하면 list, int, str, dict 라는 object를 만들어서 변수가 그 객체를 가리키는 형태이다. 각 변수의 타입을 출력해보면 class가 나오는데, class를 구체화한 것이 object이다.

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🧐class와 object

class는 추상적인 것이고, object는 구체적인 것이라고 생각하면 된다.
파이썬에서 존재하는 타입은 class로 정의된다.
class의 예로는 list, tuple, str, dict, int 등이 있다. 즉, class는 타입을 정의하는 것일 뿐이다❗
파이썬으로 list를 만들 때에는, 사실 class를 이용해서 object를 만드는 것이다.
보통 Reference라고 하며, 포인터의 개념과 비슷하다.

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x = 10
y = x
if (id(x) == id(y)):
    print("x와 y는 같은 객체다.")
    
>> x와 y는 같은 객체다.

y = x 같은 경우는 x에 의해 이미 만들어진 10이라는 int object를 y가 그냥 가르키기만 한다.

x = x + 1
if (id(x) != id(y)):
    print("x와 y는 다른 객체다.")
    
>> x와 y는 다른 객체다.

x = x + 1 은 11이라는 새로운 int object를 생성한다.
그리고 x는 새로 만들어진 int object를 가리킨다.

z = 10

if (id(y) == id(z)):
    print("y와 z는 같은 memory를 가리킨다.")
else:
    print("y와 z는 다른 object를 가리킨다.")
    
>> y와 z는 같은 메모리를 가리킨다.

z = 10은 10이라는 int object를 가리키는데, int object 10은 이미 생성이 되어 있으므로 바로 가리키게 된다.

z = Car()
print(type(z))

>> <class '__main__.Car'>

z = Car()에서 Car라는 object가 생성되고 z는 Car object를 가리킨다.

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2) 파이썬 메모리 구조

• Text 영역(코드 영역)
  - 실행할 프로그램 코드 저장
  • CPU는 텍스트 영역에 저장된 명령어를 하나씩 가져가서 처리
• Data 영역
  - 전역 변수와 정적 변수를 저장하는 공간
  • 프로그램 시작과 함께 할당되며, 프로그램 종료 시 소멸
  • 컴파일 타임에 메모리 크기 미리 결정
• Stack 영역
  - 지역 변수와 매개변수를 저장하는 공간
  • 함수의 호출과 함께 할당되며, 함수 호출 완료 시 소멸
  • 컴파일 타임에 메모리 크기 미리 결정
• Heap 영역
  - 사용자의 동적 할당으로 생성되는 공간
  • 사용자가 공간 크기 직접 관리할 수 있음
  • 프로그램이 실행되는 도중인 런타임에 사용자가 직접 크기를 결정
  • 동적 할당을 적절한 곳에 사용하면 생산적인 메모리 할당 가능

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3) 파이썬에서의 Heap 사용

파이썬은 자동으로 메모리를 관리해주는 언어이기 때문에 동적 할당 기능이 없다. 즉, 사용자가 직접 메모리 할당 범위를 조정하지 않는다.

🧐Python Memory Manager

• 포인터를 움직여서 Heap 영역의 메모리 할당 범위와 내부 버퍼를 조정해준다. Python/C API를 통해 스토리지를 동적으로 관리한다. 스토리지의 동적 관리가 필요할 때는 메모리의 공유, 메모리의 세분화, 메모리의 사전 할당, 그리고 캐싱이 있다.
• Heap 안의 메모리 영역을 interpreter가 포인터를 사용해 영역의 범위를 조정함으로써, interpreter가 자동으로 메모리를 os로 할당하지 않고 가지고 있다가 사용될 때 메모리를 재사용하는 방식으로 운영된다. 즉, 메모리 할당에 있어서 os의 과부하를 줄여준다.
• 변수와 함수가 호출됨에 따라 그에 맞는 메모리를 그때그때 python memory manager가 os와 소통하며 할당하고 결과값이 return되거나 변수와 함수가 사용을 멈추었을 때, 바로 메모리가 소멸되는 형식이다.

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4) 파이썬에서의 메모리 할당 과정

def f2(x):
    x = x + 1
    return x
    
def f1(x):
    x = x * 2
    y = f2(x)
    return y
    
# main
y = 5
z = f1(y)

• main 함수에서 y = 5와 f1 함수를 호출한다.
• f1 함수를 호출하면 stack 영역에 f1 영역이 생성된다.
• f1 영역에서 계산식에 의해 int object 10이 생성되고 x는 해당 객체를 가리킨다.
• f2 함수를 호출하면 stack 영역에 f2 영역이 생성된다.
• f2 영역에서 계산식에 의해 int object 11이 생성되고 y는 해당 객체를 가리킨다.
  

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5) 할당 해제

• 먼저 stack의 가장 위에 있는 f2가 해제된다.
• 그 다음 f1이 해제되고, 변수 x가 없어짐에 따라 아무것도 가리키지 않기 때문에 int object 10도 사라진다.
• reference counting이 0이 됨에 따라 object가 사라지는 Garbage collector이다. 파이썬은 reference counting을 이용해 메모리를 관리한다.
  

• 마지막으로 main 함수의 변수 z는 11을 가리킨다.