할당자

4. 사용자 정의 할당자

사용자 지정 할당자를 작성하는 주된 이유 중 하나는 성능 개선이다. 특별히 제작된 사용자 지정 할당자를 사용하면 프로그램의 성능이나 메모리 사용량, 혹은 두 가지 모두를 상당히 향상시킬 수 있다. C++의 기본 할당자는 보통 `operator new`를 사용하여 메모리를 할당하는데,^[1] 이는 종종 C 언어의 힙 할당 함수를 간단히 감싸서 구현된다. 이러한 기본 할당자는 일반적으로 크고 드물게 메모리 블록을 할당하는 데 최적화되어 있어, vector나 deque처럼 큰 메모리 덩어리를 할당하는 컨테이너에는 잘 작동할 수 있다.

그러나 map이나 list와 같이 작은 객체를 자주 할당해야 하는 컨테이너의 경우, 기본 할당자를 사용하는 것은 일반적으로 느리다. malloc 기반 할당자의 다른 일반적인 문제점으로는 낮은 참조 지역성과 과도한 메모리 조각화가 있다.

성능을 개선하기 위해 널리 사용되는 방법 중 하나는 메모리 풀 기반 할당자를 만드는 것이다. 이 방식은 컨테이너에 항목을 추가하거나 제거할 때마다 메모리를 할당하고 해제하는 대신, 프로그램 시작 시점에 미리 큰 메모리 블록(메모리 풀)을 할당해 둔다. 사용자 지정 할당자는 개별 할당 요청이 있을 때 이 풀에서 메모리 주소를 반환한다. 메모리 해제는 실제로 메모리 풀의 수명이 끝날 때까지 미룰 수 있어 할당 및 해제에 드는 비용을 줄일 수 있다. Boost C++ Libraries에서 메모리 풀 기반 할당자의 예를 찾아볼 수 있다.

사용자 지정 할당자의 또 다른 유용한 용도는 메모리 관련 오류 디버깅이다. 디버깅 정보를 저장하기 위해 추가적인 메모리를 할당하는 할당자를 작성하여 이를 수행할 수 있다. 이러한 디버깅용 할당자는 특정 메모리 블록이 동일한 유형의 할당자에 의해 할당되고 해제되었는지 확인하는 데 사용될 수 있으며, 버퍼 오버런에 대한 제한적인 보호 기능도 제공할 수 있다.

5. C++11의 할당자 개선 사항

C++11 표준은 "범위 지정" 할당자를 허용하도록 할당자 인터페이스를 개선하여, 문자열 벡터나 사용자 정의 타입의 집합 목록 맵과 같이 "중첩된" 메모리 할당을 가진 컨테이너가 모든 메모리가 컨테이너의 할당자에서 비롯되도록 보장할 수 있도록 했다.

6. 예제 코드

다음은 GCC의 확장 기능인 `__gnu_cxx::new_allocator`를 사용하여 메모리를 할당하는 간단한 C++ 예제 코드이다. 이 코드는 `RequiredAllocation`이라는 클래스를 정의하고, `new_allocator`를 통해 해당 클래스 객체를 위한 메모리를 할당하고 해제하는 과정을 보여준다. 특히, 메모리 할당 요청이 실패했을 때 `std::bad_alloc` 예외가 발생하는 상황과 이를 처리하는 방법을 보여준다.



#include

// __gnu_cxx 네임스페이스에 있는 new_allocator를 사용하기 위해 필요할 수 있음

// (표준 헤더에 포함된 경우도 있음)

#include

#include // std::string 사용을 위해 추가 (코드 내 사용됨)

// 편의를 위해 네임스페이스 사용 선언

using namespace std;

using namespace __gnu_cxx;

// 메모리 할당이 필요한 예시 클래스

class RequiredAllocation

{

public:

RequiredAllocation ();

~RequiredAllocation ();

// 간단한 문자열 멤버 변수

std::string s = "hello world!\n";

};

// 생성자: 객체 생성 시 메시지 출력

RequiredAllocation::RequiredAllocation ()

{

cout << "RequiredAllocation::RequiredAllocation()" << endl;

}

// 소멸자: 객체 소멸 시 메시지 출력

RequiredAllocation::~RequiredAllocation ()

{

cout << "RequiredAllocation::~RequiredAllocation()" << endl;

}

// 할당자(all)를 사용하여 주어진 크기(size)만큼 메모리를 할당하는 함수

// pt는 할당된 메모리 주소를 가리키는 포인터 (여기서는 사용되지 않음)

// t는 RequiredAllocation 객체 포인터 (멤버 접근 예시용)

void alloc(__gnu_cxx::new_allocator* all, size_t size, void* pt, RequiredAllocation* t) {

try

{

// size개의 RequiredAllocation 객체를 저장할 메모리 할당 시도

// pt는 할당 힌트로 사용될 수 있으나, new_allocator는 이를 무시함

RequiredAllocation* allocated_ptr = all->allocate(size, pt);

cout << "Successfully allocated memory for " << size << " objects." << endl;



// 할당자가 할당할 수 있는 최대 객체 수 출력

cout << "Max size: " << all->max_size() << endl;

// 할당된 메모리에 객체를 생성하거나 사용하는 대신,

// 예시로 전달된 객체 t의 멤버 변수 s를 출력

cout << "Accessing member of passed object t: ";

for (auto& e : t->s)

{

cout << e;

}



// 할당된 메모리 해제 (실제 사용 시 필요)

// 이 예제에서는 할당 성공/실패만 보여주므로 해제 코드는 생략됨

// all->deallocate(allocated_ptr, size);

}

catch (const std::bad_alloc& e) // 메모리 할당 실패 시 예외 처리

{

// 표준 라이브러리 bad_alloc 예외 발생

cout << "Allocation failed: " << e.what() << endl;

}

}

int main ()

{

// RequiredAllocation 타입에 대한 new_allocator 인스턴스 생성

__gnu_cxx::new_allocator *all =

new __gnu_cxx::new_allocator();

// RequiredAllocation 객체 생성

RequiredAllocation t;

// 객체의 주소를 void 포인터로 저장 (alloc 함수 인자로 전달)

void* pt = &t;

/**

• C++ 표준에 따르면, new 연산자가 메모리를 할당할 수 없을 때
• 기본적으로 std::bad_alloc 예외를 발생시킨다.
• (참고: Bjarne Stroustrup, The C++ Programming Language)
• /

• `#include `: GCC의 `new_allocator`를 사용하기 위해 필요한 헤더 파일이다. (표준 헤더 `` 등에 포함될 수도 있다.)
• `RequiredAllocation` 클래스: 메모리 할당의 대상이 되는 간단한 클래스 예시이다. 생성자와 소멸자에서 메시지를 출력하여 객체의 생성 및 소멸 시점을 보여준다.
• `alloc` 함수:
• `__gnu_cxx::new_allocator* all`: `RequiredAllocation` 객체를 위한 `new_allocator` 포인터.
• `size_t size`: 할당할 객체의 개수.
• `void* pt`: 할당 힌트로 사용될 수 있는 포인터. `new_allocator`는 이 인자를 무시한다.
• `RequiredAllocation* t`: 멤버 접근 예시를 위해 전달된 객체 포인터.
• `all->allocate(size, pt)`: `size`개의 `RequiredAllocation` 객체를 저장할 수 있는 메모리 청크를 할당한다. 성공하면 할당된 메모리의 시작 주소를 반환하고, 실패하면 `std::bad_alloc` 예외를 발생시킨다.
• `try...catch(const std::bad_alloc& e)`: `allocate` 호출 중 발생할 수 있는 `std::bad_alloc` 예외를 잡아 처리한다. 메모리 부족 등으로 할당에 실패하면 이 블록이 실행된다.
• `all->max_size()`: 할당자가 이론적으로 할당할 수 있는 최대 객체 수를 반환한다. 이는 사용 가능한 메모리 크기와 객체 크기에 따라 달라진다.
• `main` 함수:
• `new_allocator` 인스턴스를 동적으로 생성한다.
• `RequiredAllocation` 객체 `t`를 생성한다.
• `alloc` 함수를 두 번 호출한다:

• 사용한 `new_allocator` 인스턴스의 메모리를 해제한다 (`delete all`).

참조

_[1] 간행물 "[[ISO/IEC 14882]]:2003(E): Programming Languages – C++ § 20.4.1.1 allocator members [lib.allocator.members]'' para. 3" "[[International Organization for Standardization|ISO]]/[[International Electrotechnical Commission|IEC]]" 2003
_[2] 웹사이트 __gnu_cxx::new_allocator< typename > Class Template Reference https://gcc.gnu.org/[...]