사용자 정의 메모리 관리 (Storage Pools)

Ada는 System.Storage_Pools 패키지를 통해 개발자가 메모리 할당(new)과 해제(Unchecked_Deallocation) 방식을 직접 제어할 수 있는 강력한 기능을 제공합니다. 본 절에서는 아레나(Arena) 할당자라고 불리는 Clair.Arena 패키지를 구현해 보겠습니다.

아레나 할당자는 사전에 큰 메모리 블록을 확보한 뒤, 객체 할당 요청이 있을 때 포인터(인덱스)만 이동시켜 메모리를 내어주는 방식입니다. 이는 잦은 할당과 해제가 반복되는 환경에서 단편화(Fragmentation)를 방지하고 성능을 극대화하는 데 유용합니다.

1. Clair.Arena 패키지 명세 (Specification)

Clair.Arena 패키지는 System.Storage_Pools.Root_Storage_Pool을 상속받아 구현합니다. 사용자는 아레나의 크기를 초기화 시점에 결정해야 합니다.

with System;
with System.Storage_Pools;
with System.Storage_Elements;

package Clair.Arena is
   
   -- 저장소 요소 처리를 위한 패키지 참조
   use System.Storage_Elements;

   -- Arena_Pool 타입 선언
   -- Discriminant 'Pool_Size'를 통해 아레나의 총 용량을 결정합니다.
   type Arena_Pool (Pool_Size : Storage_Count) is 
      new System.Storage_Pools.Root_Storage_Pool with private;

   -- [필수 오버라이딩] 메모리 할당 프로시저
   -- Storage_Address: 할당된 메모리의 시작 주소 (출력)
   -- Size_In_Storage_Elements: 요청된 크기 (바이트 단위)
   -- Alignment: 요구되는 메모리 정렬 조건
   procedure Allocate (Pool                     : in out Arena_Pool;
                       Storage_Address          : out System.Address;
                       Size_In_Storage_Elements : in Storage_Count;
                       Alignment                : in Storage_Count);

   -- [필수 오버라이딩] 메모리 해제 프로시저
   -- 아레나 방식에서는 개별 객체의 해제를 수행하지 않으므로 본문은 비워둡니다.
   procedure Deallocate (Pool                     : in out Arena_Pool;
                         Storage_Address          : in System.Address;
                         Size_In_Storage_Elements : in Storage_Count;
                         Alignment                : in Storage_Count);

   -- [필수 오버라이딩] 현재 풀의 총 크기 반환
   function Storage_Size (Pool : Arena_Pool) return Storage_Count;

private
   -- 실제 메모리를 담을 바이트 배열
   type Memory_Buffer is array (Storage_Offset range <>) of aliased Storage_Element;

   type Arena_Pool (Pool_Size : Storage_Count) is 
      new System.Storage_Pools.Root_Storage_Pool with record
         Buffer      : Memory_Buffer (1 .. Pool_Size); -- 실제 저장 공간
         Next_Cursor : Storage_Offset := 1;            -- 다음 할당 위치를 가리키는 커서
      end record;

end Clair.Arena;

2. Clair.Arena 패키지 본문 (Body)

패키지 본문에서는 Allocate 프로시저의 정렬(Alignment) 로직이 핵심입니다. 아레나 할당자는 단순히 순차적으로 메모리를 내어주지만, 데이터 타입이 요구하는 정렬 조건을 반드시 준수해야 합니다.

package body Clair.Arena is

   --------------
   -- Allocate --
   --------------
   procedure Allocate (Pool                     : in out Arena_Pool;
                       Storage_Address          : out System.Address;
                       Size_In_Storage_Elements : in Storage_Count;
                       Alignment                : in Storage_Count) is
      
      -- 현재 커서 위치의 메모리 주소 계산
      Current_Address : System.Address := Pool.Buffer(Pool.Next_Cursor)'Address;
      
      -- 정렬 오차 계산 (Alignment - 1을 더하고 마스킹하는 방식 등의 로직 대체 가능)
      -- 여기서는 Integer_Address 변환을 통해 오프셋을 계산합니다.
      use System.Storage_Elements;
      
      Misalignment : constant Integer_Address := To_Integer(Current_Address) mod Integer_Address(Alignment);
      Padding      : Storage_Offset := 0;
   begin
      -- 정렬 보정을 위한 패딩 계산
      if Misalignment /= 0 then
         Padding := Storage_Offset(Integer_Address(Alignment) - Misalignment);
      end if;

      -- 가용 공간 확인 (패딩 포함)
      if Pool.Next_Cursor + Padding + Size_In_Storage_Elements - 1 > Pool.Pool_Size then
         raise Storage_Error with "Clair.Arena: 저장소 용량 부족 (Out of memory)";
      end if;

      -- 정렬된 주소 반환
      -- 실제 데이터는 Padding만큼 건너뛴 위치에서 시작합니다.
      Storage_Address := Pool.Buffer(Pool.Next_Cursor + Padding)'Address;

      -- 다음 할당을 위해 커서 업데이트
      Pool.Next_Cursor := Pool.Next_Cursor + Padding + Size_In_Storage_Elements;
   end Allocate;

   ----------------
   -- Deallocate --
   ----------------
   procedure Deallocate (Pool                     : in out Arena_Pool;
                         Storage_Address          : in System.Address;
                         Size_In_Storage_Elements : in Storage_Count;
                         Alignment                : in Storage_Count) is
   begin
      -- 아레나 할당자의 특성상 개별 객체의 메모리 해제는 수행하지 않습니다.
      -- 아레나 풀 객체 자체가 스코프를 벗어나 파괴될 때 메모리가 일괄 회수됩니다.
      -- 필요에 따라 로깅(Logging) 등을 추가할 수 있습니다.
      null;
   end Deallocate;

   ------------------
   -- Storage_Size --
   ------------------
   function Storage_Size (Pool : Arena_Pool) return Storage_Count is
   begin
      return Pool.Pool_Size;
   end Storage_Size;

end Clair.Arena;

3. 구현 해설 및 기술적 고려사항

위의 Clair.Arena 패키지는 다음과 같은 기술적 특징을 가집니다.

1. Root_Storage_Pool 상속: Ada 런타임이 new 연산자를 수행할 때 이 풀을 인식하고 Allocate를 호출하도록 하기 위해 필수적입니다.
2. 정렬(Alignment) 준수: 하드웨어 아키텍처에 따라 특정 데이터 타입은 특정 메모리 경계(4바이트, 8바이트 등)에 위치해야 합니다. Allocate 프로시저 내부의 Padding 계산 로직은 이를 보장하여 버스 에러(Bus Error)나 성능 저하를 방지합니다.
3. 개별 해제 무시 (Deallocate is null): 아레나 패턴의 핵심은 고속 할당입니다. 개별 객체를 해제하여 리스트를 관리하는 오버헤드를 제거합니다. 메모리는 Arena_Pool 객체가 소멸될 때(예: 스택에서 벗어날 때) 내부에 선언된 Buffer 배열이 해제되면서 일괄적으로 OS에 반환됩니다.
4. Storage_Error 발생: 미리 할당된 Pool_Size를 초과하는 요청이 들어오면 Ada 표준 예외인 Storage_Error를 발생시켜 안전성을 확보합니다.

4. 사용 예시

작성한 패키지를 실제 코드에서 적용하는 방법은 다음과 같습니다. 특정 접근 타입(Access Type)에 Storage_Pool 속성을 지정하여 연결합니다.

with Clair.Arena;
with Ada.Text_IO;

procedure Main is
   -- 1024 바이트 크기의 아레나 생성
   My_Arena : Clair.Arena.Arena_Pool (Pool_Size => 1024);

   type Integer_Ptr is access Integer;
   -- 이 접근 타입을 통한 할당은 My_Arena를 사용하도록 지정
   for Integer_Ptr'Storage_Pool use My_Arena;

   Ptr1, Ptr2 : Integer_Ptr;
begin
   -- 힙(Heap)이 아닌 My_Arena 내부 버퍼에 할당됨
   Ptr1 := new Integer'(10); 
   Ptr2 := new Integer'(20);
   
   Ada.Text_IO.Put_Line ("Ptr1 값: " & Integer'Image(Ptr1.all));
   
   -- 개별 해제 호출 (실제로는 아무 일도 일어나지 않음)
   -- Unchecked_Deallocation을 인스턴스화하여 호출하더라도
   -- Clair.Arena.Deallocate가 호출되며, 이는 null 프로시저임.
end Main;

이와 같이 Clair.Arena를 사용하면 실시간 시스템이나 임베디드 환경과 같이 메모리 할당 시간이 예측 가능해야 하거나, 메모리 파편화를 엄격히 제어해야 하는 상황에서 유용하게 활용할 수 있습니다.