프로세스 메모리 구조 모델

메모리 관리는 모든 프로그래밍 언어와 시스템에서 중요한 역할을 합니다. 다양한 언어에서 다양한 메모리 관리 방법들이 나왔습니다.

일반적인 메모리 관리

보통 4개의 구역으로 나뉘게 됩니다.

1. 스택(Stack)
   • 함수 호출 시 지역 변수와 함수 호출 정보를 저장
   • LIFO(Last In, First Out) 구조로 작동
   • 메모리 할당과 해제가 자동으로 이루어짐
2. 힙(Heap)
   • 동적으로 할당된 메모리를 저장
   • 메모리 할당과 해제가 개발자의 코드에 의해 관리
   • 다양한 크기의 메모리를 할당할 수 있음
3. 데이터(Data) 영역
   • 전역 변수와 정적 변수를 저장
   • 프로그램 시작 시 할당되고 종료 시 해제
4. 코드(Code) 영역
   • 실행할 코드와 상수 데이터를 저장
   • 프로그램 시작 시 할당되고 종료 시 해제

일반적인 메모리 관리 방식에서는 개발자가 힙 메모리를 할당하고 해제하는 것을 명시적으로 관리합니다. 이에 대한 애로사항이 많아 어떤 언어에서는 자동적으로 관리해주는 기능을 추가했습니다.

그 중 하나가 Node.JS입니다.

Node.JS의 메모리 관리

Node.js는 자바스크립트 런타임 환경으로, V8 엔진을 기반으로 작동합니다. 이 V8 엔진이 메모리 관리를 도와줍니다.

Node.js의 메모리 관리 방식은 주로 V8 엔진의 가비지 컬렉션(Garbage Collection) 메커니즘에 의해 관리됩니다.

1. V8 엔진
   • V8 엔진은 구글의 오픈 소스 자바스크립트 엔진으로, Node.js의 핵심 부분.
   • 메모리 할당과 해제를 자동으로 관리하며, 주기적으로 가비지 컬렉션을 수행하여 사용되지 않는 메모리를 해제
2. 스택(Stack)과 힙(Heap)
   • Node.js에서 스택과 힙의 개념은 여전히 존재
   • 스택은 함수 호출 시 생성되는 지역 변수와 호출 스택을 관리
   • 힙은 객체와 함수가 동적으로 할당되는 메모리 영역
3. 가비지 컬렉션(Garbage Collection)
   • V8 엔진은 주기적으로 가비지 컬렉션을 수행하여 더 이상 참조되지 않는 객체를 힙에서 제거
   • 주요 가비지 컬렉션 알고리즘에는 Mark and Sweep이 있음
   • 이 방식은 개발자가 메모리 해제에 대해 신경 쓸 필요 없이 자동으로 관리
4. 메모리 제한
   • Node.js는 기본적으로 힙 메모리에 제한을 두고 있음
   • 64비트 시스템에서는 약 1.4GB, 32비트 시스템에서는 약 0.7GB의 힙 메모리 제한이 있음
   • 이 제한을 초과하면 메모리 부족 오류가 발생할 수 있음
5. 메모리 사용 모니터링
   • Node.js는 process.memoryUsage() 함수를 통해 메모리 사용량을 모니터링할 수 있음
   • 개발자는 이를 통해 현재 프로그램이 사용하는 메모리 상태를 확인하고 최적화할 수 있음

차이점 요약

요소	일반적인 메모리 관리	Node.js 메모리 관리
메모리 관리 방식	수동(개발자가 명시적으로 관리)	자동(V8 엔진의 가비지 컬렉션)
스택과 힙	존재	존재
가비지 컬렉션	없음(수동으로 메모리 해제)	있음(V8 엔진의 가비지 컬렉션)
메모리 할당 및 해제	개발자가 직접 관리	자동으로 관리
메모리 제한	보통 제한 없음	기본 힙 메모리 제한 존재
메모리 사용 모니터링	개발자가 직접 구현	process.memoryUsage()로 가능

참고

• 프로세스 메모리 구조
• Toast JS 프로세스 메모리 구조
• 메모리 정렬 패킹

가비지 콜렉션 임시 구현

이런 느낌이라고 보면 됩니다. STACK은 HEAP의 주소를 담은 배열입니다.
왜 인지 힙 압축하는 곳이 너무 깔끔해서 좋습니다.

/**
 * 힙 영역에 할당된 타입들 중에서 스택에 포인터 변수가 없는 경우를 찾아서 해제하는 메소드
 * @returns {Array} 힙 상태 배열
 */
garbageCollect() {
  console.log('가비지 컬렉션 시작');

  // 스택에서 참조하는 힙 주소들을 저장할 Set
  const referencedAddresses = new Set();

  // 스택을 순회하며 참조하는 힙 주소들을 수집
  for (let stackAddr of this.STACK) {
    if (this.STACK.length >= 0 && this.STACK.length < this.memorySize) {
      // 힙 영역 주소 범위 체크
      referencedAddresses.add(stackAddr);
    }
  }

  // 힙을 순회하며 참조되지 않는 메모리 해제
  for (let heapAddr = 0; heapAddr < this.HP; heapAddr++) {
    if (this.HEAP[heapAddr] && !referencedAddresses.has(heapAddr)) {
      const type = this.HEAP[heapAddr][0];
      const size = Math.max(8, this.types[type]);

      // 해당 메모리 블록 해제
      for (let i = 0; i < size; i++) {
        this.HEAP[heapAddr + i] = null;
      }

      console.log(
        `주소 ${this.toHexAddress(heapAddr)}의 ${type} 타입 메모리 해제`,
      );
    }
  }

  // 힙 압축 (사용 중인 메모리를 앞으로 모으고 HP 조정)
  let newHP = 0;
  for (let heapAddr = 0; heapAddr < this.HP; heapAddr++) {
    if (this.HEAP[heapAddr]) {
      if (heapAddr !== newHP) {
        this.HEAP[newHP] = this.HEAP[heapAddr];
        this.HEAP[heapAddr] = null;
      }
      newHP++;
    }
  }

  // HP 갱신
  this.HP = newHP;

  console.log('가비지 컬렉션 완료');
  console.log(`새로운 HP: ${this.toHexAddress(this.HP)}`);
}