프로그래밍에서 메모리를 가리키는 포인터라는 건.. 그 특성상 돌아가는 컴퓨터의 machine word와 크기가 동일하다. 하지만 현실에서 포인터(= 메모리 주소)를 구성하는 모든 비트가 골고루 쓰이는 일은 몹시 드물었다.

먼저, 컴퓨터의 실제 메모리 양이 포인터가 가리킬 수 있는 범위보다 훨씬 적다. Windows의 경우, 32비트 시절에는 user mode에서는 대부분의 경우 포인터의 상위 비트가 언제나 0이었던 것이 잘 알려져 있다(하위 2GB까지만 사용).
하물며 64비트는 공간이 커도 너무 크기 때문에 가상 메모리 관리 차원에서도 아직은 40~48비트까지만 사용한다. 상위의 무려 16비트가량이 쓰이지 않는다는 것이다. 램이 32GB여도 겨우 35비트면 충분하니까..

가난하고 배고프던 20세기 16비트 시절에는.. 반대로 포인터 하나만으로 겨우 몇백 KB~수 MB 남짓한 메모리도 한번에 다루지 못했다. 그래서 far 포인터니 huge 포인터니 별 삽질을 다 해야 했는데 그때에 비하면 지금은 격세지감이 따로 없다.

저렇게 상위 비트뿐만 아니라 하위 비트도 마찬가지이다. padding, align 같은 이유로 인해, 메모리 할당 함수의 포인터 리턴값이 홀수가 될 일은 일반적으로 없다. 아니, 겨우 2의 배수가 아니라 4나 8의 배수가 될 수도 있으며, 이 경우 하위 2~3개 비트도 0 이외의 값을 가질 일이 없게 된다.

그러니 포인터를 저장하는 공간에서 0 이외의 값이 들어올 일이 없는 비트에다가 자신만의 정보를 넣는 꼼수를 부리는 프로그램이 예로부터 줄곧 존재해 왔다.
이거 무슨 변태 같은 짓인가 싶지만.. 이제 막 32비트로 넘어가긴 했지만 아직 가정용 컴퓨터들의 평균적인 메모리 양이 수 MB대밖에 안 됐던 시절이 있었다. 이때는 메모리가 부족해서 하드디스크 스와핑이 일상이었다. RAM을 1바이트라도 더 아끼는 최적화가 필수였다.

가령, 다재다능한 자료구조인 빨강-검정 나무를 생각해 보자.
노드의 색깔을 나타내는 겨우 1비트짜리 정보를 위해서 굳이 bool 멤버를 추가하는 건 굉장한 낭비라는 생각이 들지 않는가? 단 1비트 때문에 구조체 패딩까지 감안하면 무려 2~4바이트에 달하는 공간이 매 노드마다 허비되기 때문이다.
안 그래도 노드의 내부엔 left/right 같은 딴 노드 포인터가 있을 것이고, 포인터 내부에 쓰이지 않는 1비트 공간이 있으면 거기에다 색깔 정보를 박아 넣고 싶은 생각이 들 수밖에 없다. 비트필드와 포인터의 union 써서 말이다.

물론, 그렇게 0으로만 채워지던 공간을 운영체제에서도 나중에 유의미하게 사용하기 시작하면.. 그 꼼수 프로그램은 재앙을 맞이하게 된다.
대표적인 예로 마소에서는 32비트 기준으로 사용자:커널이 통상적인 2GB:2GB가 아니라 3GB:1GB로 주소 공간을 분할하는 기능을 Windows에다가 추가했다.

이러면 사용자 모드의 포인터도 2GB가 넘는 영역에 접근할 수 있으며 최상위 비트가 1이 될 수 있다. 그런데 포인터의 최상위 비트를 자기 멋대로 사용하고 있는 프로그램은.. 뭐 메모리 뻑나고 죽을 수밖에 없다.
64비트 환경에서는 겨우 1비트가 아니라 상위 word 전체를 다른 용도로 전용해도 당장 이상이 없으며 이 추세가 앞으로 몇 년은 가지 싶다. 컴퓨터의 램이 256~512GB나 1테라까지 간다면 모를까..

요즘 컴퓨터야 메모리가 워낙 많고 풍족하니, 굳이 저런 꼼수를 동원하는 프로그램은 별로 없을 것이다.
하지만 저 때가 되면 또 꼼수 부리는 말썽꾸러기 프로그램과의 호환성 때문에 주소 공간을 옛날처럼 상위 16~32GB까지로 봉인하는 옵션 같은 게 또 등장할지도 모른다.;;; HIGH_DPI_AWARE처럼 LARGE_ADDRESS_AWARE 시즌 2 말이다.

여담이지만 Windows의 경우, 실행 파일은 시작 주소가 언제나 64KB의 배수 단위로 부여되기 때문에 HINSTANCE/HMODULE은 아래쪽은 무려 word 덩어리가 언제나 0이 된다. 이 특성을 이용해서 운영체제의 LoadLibraryEx 함수도 하위 몇 비트를 자기 마음대로 활용하기도 한다.

※ 나머지 메모

(1) unsigned 타입에 대해서 단항 연산자 -를 적용해서 -a 이런 값을 구하는 코드를 우연히 보고는 개인적으로 신박하다는 생각이 들었다. 흐음~ Visual C++의 경우 이건 원래 경고인데, 요즘 버전에서는 더 엄격하게 에러로 처리하는가 보다.
-a는 2의 보수의 특성상 ~a+1과(비트 not보다 1 크게) 완전히 동일한 효과를 내며, 앞에 0을 붙여서 이항 연산자로 만들어도 에러를 회피할 수 있다.

(2) ANSI C에서는 함수의 prototype을 선언할 때 매개변수 리스트에 타입만 써 넣고 이름을 빼먹으면 안 된다는 걸 최근에야 알게 됐다.
아니 도대체 왜..? 거기서 매개변수의 이름은 거의 잉여 옵션에 불과할 텐데.. void func(int);라고만 쓰면 틀리고 void func(int x);라고 아무 이름이라도 붙여야 된다는 것이다.
이건 먼 옛날에 C언어에서 void func(a) int a; 같은 구닥다리 문법이 쓰이던 시절의 잔재인 것 갈다.

Posted by 사무엘

2021/05/15 08:35 2021/05/15 08:35
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