Chapter 8 Memory Management SungDong Kim School of

Chapter 8. Memory Management Sung-Dong Kim School of Computer Engineering, Hansung University

Contents • 메모리를 필요로 하는 요소들 • 누가 memory management를 하는가? • 기억 장소 관리(memory management) 단계 • memory management 방법의 종류 2 (2019 -1) Understanding of Programming Languages

1. Elements requiring memory (1) • Code segments • User data —User-defined data structures and constants —Activation records • Subprogram 실행 —Subprogram 복귀 주소 —참조 환경 (referencing environments) 주소 3 (2019 -1) Understanding of Programming Languages

1. Elements requiring memory (2) • 프로그램 실행 중 필요한 메모리 – heap —new, delete, … • 다른 system data —수식 계산을 위한 임시 저장소 —매개변수 전달을 위한 임시 저장소 —Input-output buffers —참조 계수 (reference counts) —쓰레기 수집 비트 (garbage collection bits) 4 (2019 -1) Understanding of Programming Languages

Programmer & System-controlled MM (1) • C —Programmer controlled memory management —malloc(), free() 5 (2019 -1) Understanding of Programming Languages

Programmer & System-controlled MM (2) • Programmer-controlled storage management —Problem –Risk: garbage, dangling reference –System의 메모리 관리 방해 가능성 –프로그래머가 모든 메모리를 관리할 수 없음 +임시 저장소 +Subprogram 복귀 주소(return points) +다른 시스템 데이터 +… 6 (2019 -1) Understanding of Programming Languages

Programmer & System-controlled MM (3) —Advantages –System은 메모리 할당/해제의 정확한 시점을 모름 –Programmers는 메모리 할당/해제의 정확한 시점을 알고 있음 7 (2019 -1) Understanding of Programming Languages

Programmer & System-controlled MM (4) • System-controlled storage management —신뢰성 (reliability) —낮은 효율성 (low efficiency) 8 (2019 -1) Understanding of Programming Languages

Steps of Memory Management • 초기 할당 (initial allocation) • 복구 (recovery) —재사용을 위함 free state —Stack: stack pointer만 변경 simple —Garbage collection: very complex • 압축/재사용 (compaction and reuse) —압축: 큰 빈 메모리 블록 만들기 —재사용 9 (2019 -1) Understanding of Programming Languages

Kinds of Memory Management • When ? —Static(정적) memory management (allocation) —Dynamic(동적) storage management (allocation) • Where ? —Stack-based memory management —Heap-based storage management 10 (2019 -1) Understanding of Programming Languages

Static Storage Management (2) • FORTRAN, COBOL, BASIC —모든 메모리는 정적으로 (statically) 할당됨 • C —동적 (dynamic) memory allocation 허용 —효율을 위해 정적 (static) data도 가능 12 (2019 -1) Understanding of Programming Languages

Static Storage Management (3) • Advantages —Simple —구현이 쉬움 • Disadvantages —융통성 없음: no dynamic array, no recursion —메모리 낭비: 실행되지 않은 코드 (예: 에러 처리 루틴, 호 출되지 않는 서브프로그램 등)/데이터를 위한 메모리 공간 도 미리 할당함 13 (2019 -1) Understanding of Programming Languages

Dynamic storage management (1) • 특징 —실행 (execution) 할당 —Interpreter languages: LISP, SNOBOL 4, APL, … —Algol-like languages: 스택에 할당 recursion 가능 15 (2019 -1) Understanding of Programming Languages

Dynamic storage management (2) • 스택 동적 (static-dynamic) 기억 장소 관리 • ALGOL —Own variable: 정적 할당 —Others: 동적 할당 recursion 가능 • PL/I —STATIC: static allocation —AUTOMATIC: dynamic allocation (stack-based) —CONTROLED, BASED: dynamic allocation (heap-based) 16 (2019 -1) Understanding of Programming Languages

Stack-based storage management (1) • 동적 할당하는 프로그래밍 언어 —Compiler-based (블록 구조) languages: ALGOL, PASCAL, C, Java, … —Interpreter-based languages: APL, LISP, SNOBOL, PROLOG, … • Algol-like languages —블록 구조 –선언문 (declaration statement) : 새로운 환경 시작 –변수의 scope를 제한함 17 (2019 -1) Understanding of Programming Languages

Stack-based storage management (2) —프로그램 단위 –Block +정적 포함 관계 –Subprogram +호출문에 의해 활성화 됨 18 (2019 -1) Understanding of Programming Languages

단위 프로그램 구조 A 정적 내포 관계 트리 unit A B A unit B C unit D end C D C end B E B unit E unit F F E F G D end F G unit G end E end A 19 Algol 유사 언어의 정적 내포 관계 예 (2019 -1) Understanding of Programming Languages

Stack-based storage management (3) • 단위 활성화 (unit activation) — code + activation record — Activation record –동적 링크 (dynamic link) = 동적 체인 (dynamic chain) –정적 링크 (static link) –복귀 주소 (return address) –참조 환경 (referential environment) 20 (2019 -1) Understanding of Programming Languages

Block’s Activation 코드부 (Code segment) Activation Record Return address Dynamic link Static link Environment (local variables, Parameters) 21 (2019 -1) Understanding of Programming Languages

Block A A code … call E … Block E E code … call F … Block F F code … call G … Block G G code … call F … A’s A. R. E’s A. R. F’s A. R. G’s A. R. Return to system F’s A. R. A E F G F 22 (2019 -1) Understanding of Programming Languages

Current Static link F’s activation record G’s activation record Dynamic link F’s activation record E’s activation record A’s activation record Stack of activation records 23 (2019 -1) Understanding of Programming Languages

Stack-based storage management (6) —예: 활성화 레코드 a : array[0. . 10] of integer; (int a[11]; // C) - 크기, 변위: static binding - 활성 레코드 위치 (x): 실행 시간 - 실제 주소 (effective address) = dynamic binding loc(a[i]) = x + a의 변위 + i * s; 26 (2019 -1) Understanding of Programming Languages

Stack-based storage management (10) Example: Ada program Get (M, N) declare A : array(1…N) of INTEGER; B : array(1…M) of FLOAT; begin … end 30 (2019 -1) Understanding of Programming Languages

Stack-based storage management (12) —동적 변수의 특징 –실행 중 메모리 할당/해제 –프로그램 종료 후에도 메모리 유지 가능 (해제 안하면) –블록의 활성 레코드에 메모리를 유지할 수 없음 –Heap Stack variables: semi-static, semi-dynamic variables Heap variables: dynamic variables 33 (2019 -1) Understanding of Programming Languages

Stack-based storage management (13) • 비지역 변수 (non-local variables) 참조 —다른 활성화 레코드에 있는 변수 참조 • FORTRAN —Local variables: 현재 프로그램의 activation record —Global variables: 시스템 제공 (system-provided) activation record 34 (2019 -1) Understanding of Programming Languages

Stack-based storage management (14) • ALGOL 계열 언어들 —Local variables: 현재 프로그램의 activation record 내 에서 변수를 찾음 —Non-local variables: 정적 내포 관계 (static nesting relation)를 이용하여 변수를 찾음 35 (2019 -1) Understanding of Programming Languages

Static depth A: static depth = 0 B: static depth = 1 C: static depth = 2 D: static depth = 3 E: static depth = 1 F: static depth = 2 G: static depth = 2 40 (2019 -1) Understanding of Programming Languages

Stack-based storage management (18) —디스플레이 (display) – 정적 체인 관계를 나타내는 배열 – 방법 + (do=display offset, lo=local offset) current DISPLAY m + 유효주소 (do, lo): DISPLAY(do) + lo . . . 3 2 1 m: DISPLAY 사용 활성 레코드 수 do: display offset, lo: local offset – Advantage/disadvantage + 모든 비지역 변수를 같은 시간에 참조할 수 있음 (모든 비지역 변수를 찾는 시간 이 동일함) + 활성화 레코드 생성/삭제 할 때마다 display 값을 수정해야 함 41 (2019 -1) Understanding of Programming Languages

MAIN A SUB 2 SUB 1 Display offset = static depth MAIN = 0, A = 1, SUB 1 = 2 SUB 2 = 2, SUB 3 = 3 program MAIN procedure A; procedure SUB 1; end; { SUB 1 } procedure SUB 2; procedure SUB 3; end SUB 3; { SUB 3 } end; { SUB 2 } end A; { A } end. {MAIN} SUB 2’s A. R. A’s A. R. MAIN’s A. R. SUB 1’s A. R. SUB 2’s A. R. A’s A. R. MAIN’s A. R. 42 … 2 1 0 (2019 -1) Understanding of Programming Languages

MAIN A SUB 2 SUB 3 SUB 2’s A. R. A’s A. R. MAIN’s A. R. … 2 1 0 SUB 3’s A. R. SUB 2’s A. R. … 3 2 A’s A. R. 1 MAIN’s A. R. 0 43 MAIN A SUB 2 SUB 3 SUB 2’s A. R. SUB 3’s A. R. … 3 SUB 2’s A. R. A’s A. R. MAIN’s A. R. 2 1 0 (2019 -1) Understanding of Programming Languages

Heap-based storage management (1) • Heap —메모리 블록 —자유롭게 할당(allocation )/해제(de-allocation) • Problems —Allocation, recovery, compaction, reuse 등을 위한 기술이 필요 —기억 장소 수집 (collection technique) 기술도 필요 44 (2019 -1) Understanding of Programming Languages

void main() { int *x, k = 1; double *y; … x = malloc(sizeof(int)); y = malloc(sizeof(double)); … free(x); free(y); } main()의 활성 레코드 x k y 7 1 20 stack 47 (2019 -1) Understanding of Programming Languages 7: heap 20 :

Heap-based storage management (3) • 힢 메모리 관리 —고정 크기 기억 장소 할당 (fixed-size elements allocation) –Simple –No compaction —가변 크기 기억 장소 할당 (variable-size elements allocation) 48 (2019 -1) Understanding of Programming Languages

Heap-based storage management (4) • 고정 크기 기억 장소 할당 —Heap –K 블록 –Block: N word size –Heap 크기 = N K —사용 가능 블록 리스트 (free-space list) 유지 49 (2019 -1) Understanding of Programming Languages

Heap-based storage management (5) —할당 (allocation) –첫번째 블록 할당 사용 가능 리스트에서 삭제 —해제 (free) –사용 가능 리스트의 처음에 연결 50 Head of free list (a) Initial free-space list (b) Free-space after execution (2019 -1) Understanding of Programming Languages

Heap-based storage management (6) —복구 (recovery) –프로그래머 또는 시스템에 의한 복구 +dispose (PASCAL), free (C), delete (C++, Java) +Garbage, dangling reference의 위험성 존재 51 Garbage Dangling References int *p, *q; … p = malloc(sizof(int)); p = q; int *p, *q; … p = malloc(sizof(int)); q = p; free(p); (2019 -1) Understanding of Programming Languages