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C# - struct/class가 스택/힙에 할당되는 사례 정리

지난 글을 쓰면서,

C# - 왜 구조체는 16 바이트의 크기가 적합한가?
; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/12620

C# - 구조체의 크기가 16바이트가 넘어가면 힙에 할당된다?
; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/12619

느낀 건데, 의외로 많은 분들이 struct/class의 스택/힙 할당에 대해 헷갈려 하시는 것 같아서 이렇게 기록을 남깁니다.

이야기는 C#으로 풀어가긴 하지만, 사실 이번 글의 기본 내용은 특정 언어에 종속되는 것은 아닙니다. 큰 그림으로 보면, 어떤 프로그래밍 언어든지 그것의 해석기(컴파일러 또는 인터프리터)는 필연적으로 사용자의 코드를 어떻게 스택과 힙으로 풀어내야 하는지 고민하기 마련입니다. 단지 추상화 정도의 차이가 있을 뿐인데요, 예를 들어, Javascript 같은 인터프리터 언어들은 가능한 스택과 힙을 개발자로 하여금 신경 쓰지 않게 하는 반면, 요즘의 Rust와 같은 언어는 그런 선택을 개발자에게 떠넘기고(?) 있다는 차이가 있습니다.

참고로, 값 형식과 참조 형식의 고민은 같은 VM 계열 언어라고 해도 자바보다는 C# 진영에서 더 이슈가 되곤 합니다. 왜냐하면 자바의 경우 언어에서 제공하는 기본형을 제외하고는 값 형식을 사용자 정의할 수 없는 반면, C#에서는 값 형식을 struct를 이용해 자유롭게 만들 수 있기 때문입니다.




자, 그럼 가볍게 아래의 코드로 시작해 볼까요? ^^

struct SimpleStruct
{
    public int Age;
}

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        int i = 5;

        SimpleStruct ss = new SimpleStruct { Age = 10 };
    }
}

Main 메서드에 int, SimpleStruct 타입의 인스턴스가 각각 정의되었습니다. 2개 모두 값 형식(Value Type)이기 때문에 스택에 할당되고 이는 다음과 같은 식으로 표현이 됩니다.

class_struct_memory_layout_1.png

별로 특별할 것이 없는데요, 이 상태에서 class를 하나 정의해 인스턴스 생성을 추가해 보겠습니다.

// ...[SimpleStruct 생략]...

class SimpleClass
{
    public int Age;
}

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        CallMethod();
    }

    static void CallMethod()
    {
        int i = 5;

        SimpleStruct ss = new SimpleStruct { Age = 10 };
        SimpleClass sc = new SimpleClass { Age = 15 };
    }
}

class는 참조 형식을 정의하므로 이제 메모리는 다음과 같은 식으로 이뤄집니다.

class_struct_memory_layout_2.png

여기서 중요한 차이점은, sc라는 변숫값이 힙에 할당된 인스턴스의 주솟값을 담고 있다는 점입니다. 이런 특징 덕분에, CallMethod가 수행을 종료하고 Main 메서드로 반환이 되면 sc 변숫값이 유효한 스택 사용 영역을 벗어나기 때문에 다음번 GC가 발생하면 0x9fe0 위치를 참조하는 root 개체가 없다는 것을 계산할 수 있어 그때 비로소 GC 힙에서 해당 인스턴스를 가비지 수집할 수 있게 되는 것입니다.




사실상 원칙은 저게 전부입니다. 이하 나머지는 저 원칙에 따라 적용을 하면 되는데요, 우선 (가장 헷갈려 하시는 듯한) class 내에 struct를 담고 있는 경우를 보겠습니다.

struct SimpleStruct
{
    public bool Married;
}

class PersonClass
{
    public int Age;
    public SimpleStruct Info;
}

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        int i = 10;

        PersonClass pc = new PersonClass { Age = 20, 
            Info = new SimpleStruct { Married = true } };
    }
}

이번에는 struct가 스택에 할당되지 않고, PersonClass 인스턴스가 저장된 힙에 함께 올라가 있습니다.

class_struct_memory_layout_3.png

이것을 변칙으로 볼 수도 있지만, 위의 PersonClass에서 "int Age" 필드가 힙에 할당된 것에 비춰보면 당연한 결과임을 알 수 있습니다. 즉 int도 값 형식이고, SimpleStruct도 값 형식이며 그것들이 class 내에 포함되면 int 값이 그랬던 것처럼 struct의 값들도 class 인스턴스의 저장 공간에 함께 배치되는 것입니다.

이번에는 반대로 struct 안에 참조형 필드가 들어간 경우를 보겠습니다.

// ...[SimpleStruct, PersonClass 생략]...

struct ComplexStruct
{
    public int Age;
    public string Name; // string 타입은 참조형
}

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        CallMethod();
    }

    static void CallMethod()
    {
        int i = 10;

        PersonClass pc = new PersonClass { Age = 20, 
            Info = new SimpleStruct { Married = true } };

        ComplexStruct cs = new ComplexStruct { Age = 15, Name = "Anders" };
    }
}

ComplexStruct의 필드 중 값 형식은 그것의 값까지 스택에 포함하지만 참조 형식의 경우에는 힙에 할당된 인스턴스의 주솟값을 들고 있게 됩니다.

class_struct_memory_layout_4.png

게다가 이번에도 마찬가지로, CallMethod 호출을 벗어나면 ComplexStruct cs 변수가 유효 범위를 벗어나므로 0x8fe0의 힙 주소를 가리키는 root 개체가 더 이상 존재하지 않기 때문에 이후 CLR은 GC 과정에서 해당 영역을 가비지 컬렉션 할 수 있게 됩니다.




이 감각을 유지하며, 이제 배열에 도전해 볼까요? ^^ 원칙은 이전에 설명한 것과 같으니 그에 맞춰 해석하시면 됩니다.

struct SimpleStruct
{
    public int Age;
}

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        int[] intArr = { 10, 20 };

        SimpleStruct[] ssArr = new SimpleStruct[3];
    }
}

아시는 것처럼, 배열은 참조 형식입니다. 따라서 힙에 할당되는 것이 맞고 "배열 요소의 타입"이 값 형식인 경우 해당 참조 형식의 인스턴스 내에 값이 위치하게 됩니다.

class_struct_memory_layout_5.png

그리고 당연히 개별 요소의 값은 초기화를 해야만,

SimpleStruct[] ssArr = new SimpleStruct[3];

ssArr[0] = new SimpleStruct { Age = 31 };
ssArr[1] = new SimpleStruct { Age = 32 };
ssArr[2] = new SimpleStruct { Age = 33 };

다음과 같이 값이 들어가게 됩니다.

class_struct_memory_layout_6.png

그렇다면, 참조 형식의 배열은 어떨까요?

SimpleClass[] scArr = new SimpleClass[2];

우선 배열 자체도 참조 형식이고, 그 내부의 요소들도 참조 형식이기 때문에 할당 자체는 다음과 같이 0(null) 주솟값을 갖는 배열로 초기화가 됩니다.

class_struct_memory_layout_7.png

이후, 요소를 할당하면,

scArr[0] = new SimpleClass { Age = 51 };
scArr[1] = new SimpleClass { Age = 52 };

다음과 같이 복잡한 참조 관계를 이루며 GC 힙 공간을 차지하게 됩니다.

class_struct_memory_layout_8.png




얼핏 보면 복잡한 듯하지만 간단하게 정리해서,

  1. 기본적으로 값 형식은 스택에 할당되고,
  2. 참조 형식의 경우 그것이 포함한 값 형식은 자신의 인스턴스 내에 포함하는 반면,
  3. (값/참조 형식에 상관없이) 내부에 참조 형식의 필드가 있으면 별도의 힙 주소를 가리키는 주솟값만을 담고 있다는,

것만 인지하고 있으면 이제 어떠한 struct/class가 나와도 메모리의 할당 방식을 머릿속에 그릴 수 있을 것입니다. ^^

(첨부 파일은 이 글의 예제 코드와 다이어그램 원본 PPT 파일을 포함합니다.)




[이 글에 대해서 여러분들과 의견을 공유하고 싶습니다. 틀리거나 미흡한 부분 또는 의문 사항이 있으시면 언제든 댓글 남겨주십시오.]

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[최초 등록일: ]
[최종 수정일: 7/12/2021]

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댓글 작성자
 



2021-05-02 11시59분
[배성재] 감사합니다
[손님]
2021-05-03 09시56분
[시린이] 내용중
int[] intArr = { 10, 20 };
SimpleStruct[] ssArr = new SimpleStruct[3];

둘다 값 형식의 배열인데
intArr는 스택에 할당되고 ssArr는 힙에 할당되는 차이는 무엇인가요?
[손님]
2021-05-03 10시08분
@시린이 ^^; 제가 이러면 안 되는데, 그리다 그만 헷갈렸군요. 말씀해 주신 것이 맞습니다. (현재 그림 수정해서 다시 올렸습니다. ^^; 덧글 감사합니다. ^^)
정성태
2021-05-04 02시53분
[민트] SimpleStruct[] ssArr = new SimpleStruct[3];

ssArr[0] = new SimpleStruct { Age = 31 };

에서 배운 내용으로 정리를 하자면
- ssArr[0] 은 힙에 공간이 생성
- new SimpleStruct { Age = 31 }; 은 스택에 생성
- 결국 ssArr[0] = new SimpleStruct { Age = 31 }; 은 스택에 생성된 것을 힙에 복사
가 맞겠지요?

그리고

SimpleStruct[] ssArr = new SimpleStruct[3];

ssArr[0] = new SimpleStruct { Age = 31 };
ssArr[1] = new SimpleStruct { Age = 32 };
ssArr[2] = new SimpleStruct { Age = 33 };

대신

SimpleStruct[] ssArr = new SimpleStruct[3];

ssArr[0].Age = 31;
ssArr[1].Age = 32;
ssArr[2].Age = 33;

으로 해도 될 거 같은데요. 여러 멤버 초기화일 때 가독성 때문에 위 처럼 하라고 하신건가요?
[손님]
2021-05-05 12시06분
@민트 정확히 이해하셨습니다. ^^ 말씀하신 내용이 맞습니다.

마지막의 SimpleStruct의 경우는 약간의 원칙을 따른 것입니다. struct의 경우 선언해서도 쓸 수 있고 new를 해서도 동일한 효과를 갖지만 이후의 class 사용 코드와 유사하도록 맞춘 것에 불과합니다. 어느 방식으로 써도 상관없습니다.
정성태
2021-05-05 04시13분
[민트] 확인해주셔서 고맙습니다!
[손님]
2022-07-15 11시26분
정성태
2022-08-10 11시44분
[산업역군] 3번째 이미지에서 PersonClass 변수 이름이 잘못들어갔습니다. sc가 아닌 pc 가 맞을듯 합니다
항상 잘 보고 있습니다!!
[손님]
2022-08-10 05시59분
감사합니다. ^^ 말씀해 주신 대로 수정했습니다.
정성태

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