파이썬과 비교하며 배우는 러스트 프로그래밍

메모리 관리

모든 프로그램은 컴퓨터의 메모리(Memory)라고 하는 자원을 사용합니다. 이 메모리에 프로그램에서 사용하는 데이터를 저장하기 때문입니다. 우리가 코드상에서 어떤 변수에 값을 할당하면 메모리에 그 값이 저장됩니다. 메모리라는 자원은 한정되어 있기 때문에 프로그래밍 언어들은 각자의 방식으로 이 메모리를 효율적으로 관리하고자 노력합니다. 파이썬이나 고와 같은 언어는 가비지 콜렉터를 이용해 언어 차원에서 자동으로 메모리를 관리하고, C/C++같은 언어들은 개발자가 직접 메모리를 관리합니다.

파이썬은 모든 객체의 데이터를 힙 영역에 저장합니다. 그리고 메모리를 가비지 콜렉션을 이용해 관리합니다. 즉, 런타임에 사용되지 않는 객체가 있으면 주기적으로 객체를 삭제하거나 메모리 사용량이 너무 높은 경우 가비지 콜렉션을 수행합니다. 가비지 콜렉션이 수행되는 동안에는 다른 파이썬 코드가 실행될 수 없기 때문에 파이썬의 코드 실행 속도가 느려지는 원인이 됩니다. 또한 어떤 객체가 언제 메모리에서 할당 해제되는지를 개발자가 명시적으로 알 수 있는 방법이 없고 가비지 콜렉터가 이를 전담하기 때문에 프로그램이 불필요하게 많은 메모리를 사용할 가능성도 있습니다.

반면 러스트는 소유권(Ownership)이라는 개념을 통해 메모리를 관리합니다. 소유권 모델 덕분에 러스트 프로그램은 메모리 안전성과 스레드 안전성이 보장됩니다. 메모리 안전성이란, 하나의 값에 대해서 단 하나의 코드만 접근하기 때문에 예상치 못하게 값이 변경되는 일이 없다는 의미입니다. C/C++같은 언어에서는 잘못된 포인터 사용이나 잘못된 메모리 접근과 같은 이유로 버그가 발생하거나 메모리 누수가 일어나기도 하지만 러스트에서는 이를 걱정할 필요가 없습니다. 다음으로 스레드 안전성이란, 여러 개의 스레드에서 하나의 값에 접근하고자 할 때 발생할 수 있는 경합 조건(Race condition)이나 데드락(Deadlock)이 발생하지 않는다는 의미입니다. 이 두 가지 문제가 멀티스레딩 프로그램을 만들 때 가장 어렵고 복잡한 문제이지만 러스트에서는 이를 컴파일 타임에 탐지할 수 있기 때문에 안정성이 보장됩니다.

스택과 힙

소유권에 대해서 알아보기 전에, 프로그램에서 메모리를 저장하는 영역인 스택과 힙에 대해서 살펴보겠습니다. 스택 영역은 함수가 실행될 때 사용하는 메모리 공간으로, 함수에서 사용하는 지역 변수가 스택에 저장됩니다. 일반적으로 스택에서 사용될 메모리 공간이 미리 정해지기 때문에 매우 빠르게 값을 저장하고 접근할 수 있습니다. 만일 함수 실행이 종료되면 스택 영역에서 사용된 모든 지역 변수는 메모리에서 삭제됩니다. 힙 영역은 동적으로 할당되는 메모리를 위해 존재하는 공간으로, 개발자가 명시적으로 특정 크기의 메모리 공간을 사용하겠다고 선언해야 합니다. 만일 해당 메모리 공간이 더 이상 필요하지 않은 경우에는 해당 메모리를 할당 해제해주어야 합니다. 왜냐하면 이미 점유된 메모리 공간은 다른 프로그램이나 스레드에서 사용할 수 없기 때문입니다.

파이썬은 스택을 사용하지 않고 모든 객체를 힙 영역에 저장합니다. 이렇게 저장된 객체들은 파이썬에서 가비지 콜렉션을 통해 메모리를 관리하기 때문에 파이썬을 사용할 때는 메모리 관리에 신경쓰지 않아도 됩니다. 위에서 힙 영역에 대해서 설명할 때 언급한 개발자가 할당하고 할당 해제하는 메모리를 파이썬의 가비지 콜렉터가 대신해주는 것입니다.

반면 러스트는 스택 영역과 힙 영역 모두를 사용합니다. 러스트는 기본적으로 아래와 같이 함수에서 사용하는 모든 값을 제한된 크기의 스택 영역에 저장합니다. 따라서 함수 호출이 종료되면 지역 변수 foo 와 var는 모두 삭제됩니다.

fn foo() {
    let foo = "foo";
    let var = 5;
}

힙 영역은 함수에서 명시적으로 선언하는 경우에만 사용되는데, 힙 영역에 저장하는 값은 전역적으로(globally) 접근이 가능합니다. 나중에 배울 Box 타입을 사용해 선언하면 됩니다.

fn main() {
    let num = Box::new(1);
}

정리하자면, 함수에서 사용하는 지역 변수의 값들은 모두 스택 영역에 저장되고, 전역적으로 사용되는 값들은 힙 영역에 저장됩니다. 참고로 뒤에서 배울 멀티스레딩에서 여러 스레드가 접근하는 변수의 값은 힙 영역에 저장되게 됩니다.