tl;dr

Python은 pymalloc이란 이름의 커스텀 메모리 관리법이 있습니다. 메모리를 arena란 이름의 큰 블럭을 만들고 그 안에 풀을 다시 만들어서 512바이트 보다 작은 오브젝트에 대해서는 대부분 이곳에 생성합니다.

문제의 서막

친구가 매우 흥미로운 하나를 번역한 뒤에 포스팅하여 읽어보았다. 파이썬에서 bytes로 객체를 하나 생성하고 이를 /proc/../mem을 이용해서 수정하는 이야기에 관한 글이다. 문제는 우리가 생성한 객체가 힙이 아닌 엉뚱한 segment에 할당되어 있다는 점이고 왜 이것이 heap에 없는지, Holberton란 단어가 heap에 있는것들은 무엇인지에 대한 해답은 나와있지 않아 원문을 찾아봤고 원문에도 설명이 되어 있지 않았다. 그래서 한번 찾아나섰다. 이유가 무엇인지.

문제를 해결해보자

[email protected]:/usr/include/python3.4$ ps aux | grep main_id.py | grep -v grep
julien     4344  0.0  0.7  31412  7856 pts/0    S+   16:53   0:00 python3 ./main_id.py
[email protected]:/usr/include/python3.4$ cat /proc/4344/maps
00400000-006fa000 r-xp 00000000 08:01 655561                             /usr/bin/python3.4
008f9000-008fa000 r--p 002f9000 08:01 655561                             /usr/bin/python3.4
008fa000-00986000 rw-p 002fa000 08:01 655561                             /usr/bin/python3.4
00986000-009a2000 rw-p 00000000 00:00 0 
021ba000-022a4000 rw-p 00000000 00:00 0                                  [heap]
7f343d797000-7f343de79000 r--p 00000000 08:01 663747                     /usr/lib/locale/locale-archive
7f343de79000-7f343df7e000 r-xp 00000000 08:01 136303                     /lib/x86_64-linux-gnu/libm-2.19.so
7f343df7e000-7f343e17d000 ---p 00105000 08:01 136303                     /lib/x86_64-linux-gnu/libm-2.19.so
7f343e17d000-7f343e17e000 r--p 00104000 08:01 136303                     /lib/x86_64-linux-gnu/libm-2.19.so
7f343e17e000-7f343e17f000 rw-p 00105000 08:01 136303                     /lib/x86_64-linux-gnu/libm-2.19.so
7f343e17f000-7f343e197000 r-xp 00000000 08:01 136416                     /lib/x86_64-linux-gnu/libz.so.1.2.8
7f343e197000-7f343e396000 ---p 00018000 08:01 136416                     /lib/x86_64-linux-gnu/libz.so.1.2.8
7f343e396000-7f343e397000 r--p 00017000 08:01 136416                     /lib/x86_64-linux-gnu/libz.so.1.2.8
7f343e397000-7f343e398000 rw-p 00018000 08:01 136416                     /lib/x86_64-linux-gnu/libz.so.1.2.8
7f343e398000-7f343e3bf000 r-xp 00000000 08:01 136275                     /lib/x86_64-linux-gnu/libexpat.so.1.6.0
7f343e3bf000-7f343e5bf000 ---p 00027000 08:01 136275                     /lib/x86_64-linux-gnu/libexpat.so.1.6.0
7f343e5bf000-7f343e5c1000 r--p 00027000 08:01 136275                     /lib/x86_64-linux-gnu/libexpat.so.1.6.0
7f343e5c1000-7f343e5c2000 rw-p 00029000 08:01 136275                     /lib/x86_64-linux-gnu/libexpat.so.1.6.0
7f343e5c2000-7f343e5c4000 r-xp 00000000 08:01 136408                     /lib/x86_64-linux-gnu/libutil-2.19.so
7f343e5c4000-7f343e7c3000 ---p 00002000 08:01 136408                     /lib/x86_64-linux-gnu/libutil-2.19.so
7f343e7c3000-7f343e7c4000 r--p 00001000 08:01 136408                     /lib/x86_64-linux-gnu/libutil-2.19.so
7f343e7c4000-7f343e7c5000 rw-p 00002000 08:01 136408                     /lib/x86_64-linux-gnu/libutil-2.19.so
7f343e7c5000-7f343e7c8000 r-xp 00000000 08:01 136270                     /lib/x86_64-linux-gnu/libdl-2.19.so
7f343e7c8000-7f343e9c7000 ---p 00003000 08:01 136270                     /lib/x86_64-linux-gnu/libdl-2.19.so
7f343e9c7000-7f343e9c8000 r--p 00002000 08:01 136270                     /lib/x86_64-linux-gnu/libdl-2.19.so
7f343e9c8000-7f343e9c9000 rw-p 00003000 08:01 136270                     /lib/x86_64-linux-gnu/libdl-2.19.so
7f343e9c9000-7f343eb83000 r-xp 00000000 08:01 136253                     /lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.19.so
7f343eb83000-7f343ed83000 ---p 001ba000 08:01 136253                     /lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.19.so
7f343ed83000-7f343ed87000 r--p 001ba000 08:01 136253                     /lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.19.so
7f343ed87000-7f343ed89000 rw-p 001be000 08:01 136253                     /lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.19.so
7f343ed89000-7f343ed8e000 rw-p 00000000 00:00 0 
7f343ed8e000-7f343eda7000 r-xp 00000000 08:01 136373                     /lib/x86_64-linux-gnu/libpthread-2.19.so
7f343eda7000-7f343efa6000 ---p 00019000 08:01 136373                     /lib/x86_64-linux-gnu/libpthread-2.19.so
7f343efa6000-7f343efa7000 r--p 00018000 08:01 136373                     /lib/x86_64-linux-gnu/libpthread-2.19.so
7f343efa7000-7f343efa8000 rw-p 00019000 08:01 136373                     /lib/x86_64-linux-gnu/libpthread-2.19.so
7f343efa8000-7f343efac000 rw-p 00000000 00:00 0 
7f343efac000-7f343efcf000 r-xp 00000000 08:01 136229                     /lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.19.so
7f343f000000-7f343f1b6000 rw-p 00000000 00:00 0 
7f343f1c5000-7f343f1cc000 r--s 00000000 08:01 918462                     /usr/lib/x86_64-linux-gnu/gconv/gconv-modules.cache
7f343f1cc000-7f343f1ce000 rw-p 00000000 00:00 0 
7f343f1ce000-7f343f1cf000 r--p 00022000 08:01 136229                     /lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.19.so
7f343f1cf000-7f343f1d0000 rw-p 00023000 08:01 136229                     /lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.19.so
7f343f1d0000-7f343f1d1000 rw-p 00000000 00:00 0 
7ffccf1fd000-7ffccf21e000 rw-p 00000000 00:00 0                          [stack]
7ffccf23c000-7ffccf23e000 r--p 00000000 00:00 0                          [vvar]
7ffccf23e000-7ffccf240000 r-xp 00000000 00:00 0                          [vdso]
ffffffffff600000-ffffffffff601000 r-xp 00000000 00:00 0                  [vsyscall]
[email protected]:/usr/include/python3.4$ 

위 글에서 bytes가 저장된 위치는 여기였다 7f343f000000-7f343f1b6000 rw-p 00000000 00:00 0. 할당된 위치도 그러하고 이름도 없는것으로 보아 느낌상 mmap으로 할당된 메모리임을 알 수 있었다. 일단은 mmap이 언제부터 호출된것인지. 그리고 이걸 파이썬이 어떻게 관리하는지를 알기 위해서 코드를 쫓아가기 편하도록 Python C library를 이용해서 본 문에 나온 python bytes 출력 코드를 똑같이 작성하였다.

#include <Python.h>
#include <stdio.h>

int
main(int argc, char *argv[]) {
    Py_Initialize();

    PyObject *s = PyBytes_FromString("Holberton");
    PyObject_Print(s, stdout, 0);

    getchar();
    PyObject_Print(s, stdout, 0);

    Py_DECREF(s);
    Py_Finalize();

    return 0;
}

똑같이 동작하였고 메모리에 할당되는 부분 그리고 rw_all.py를 이용해서 메모리가 수정되는 부분까지 완벽하게 동작하였다. 이제 이 코드를 기반으로 어떻게 파이썬이 메모리를 할당해 나가는지에 대해서 알아보았다.

우선 bytes를 할당해준 PyBytes_FromString이란 함수에서 메모리가 할당될 것이기에 여기서 부터 출발했고 메모리가 할당되는 부분의 call stack을 그려보면 아래와 같다.

PyBytes_FromString <Objects/bytesobject.c>
|_ PyObject_MALLOC <Objects/obmalloc.c>
	|_ _PyObject_Malloc <Objects/obmalloc.c>
		|_ _PyObject_Alloc<Objects/obmalloc.c>

_PyObject_Alloc란 함수가 필요로하는 부분만큼 메모리에서 할당해주는 부분이다. 이 함수에 대해서 찾아보았다.

Python의 메모리 관리

이번 파이콘 행사 이후에 커밋로그 찾으면서 역사 탐방하는 것에 취미가 생겨서 이런 관리법이 언제 생겼는지 알아봤는데 Python 2.1 버전부터 변화가 시작되어 시험사용하고, 2.3버전에서 정식 사용되기 시작했다. 이전의 PyObject_MALLOC은 macro를 이용해서 jemalloc과 같은 커스텀 memory allocation 라이브러리를 사용 가능 하도록 만들었고 특별한 설정이 없으면 glib의 malloc을 따르게 돼 있다.

현재의 파이썬은 이때 만들어진 Vladimir Marangozov이 작성한 pymalloc 알고리즘을 아직까지 사용하고 있다. obmalloc.c에 주석으로 굉장히 자세하게 설명되어 있어 인용했다. Python에서 대부분의 Object가 생성되고 사라질때에는 PyObject_New/Del를 호출하게 된다. 물론 예외적인 경우도 있다. 예를들면 integer 타입같은 경우 일정한 작은 수들은 캐싱해서 따로 리스트를 만들어 관리한다.

    _____   ______   ______       ________
   [ int ] [ dict ] [ list ] ... [ string ]       Python core         |
+3 | <----- Object-specific memory -----> | <-- Non-object memory --> |
    _______________________________       |                           |
   [   Python's object allocator   ]      |                           |
+2 | ####### Object memory ####### | <------ Internal buffers ------> |
    ______________________________________________________________    |
   [          Python's raw memory allocator (PyMem_ API)          ]   |
+1 | <----- Python memory (under PyMem manager's control) ------> |   |
    __________________________________________________________________
   [    Underlying general-purpose allocator (ex: C library malloc)   ]
 0 | <------ Virtual memory allocated for the python process -------> |

   =========================================================================
    _______________________________________________________________________
   [                OS-specific Virtual Memory Manager (VMM)               ]
-1 | <--- Kernel dynamic storage allocation & management (page-based) ---> |
    __________________________________   __________________________________
   [                                  ] [                                  ]
-2 | <-- Physical memory: ROM/RAM --> | | <-- Secondary storage (swap) --> |

운영체제가 Virtual memory를 이용해서 page 단위로 메모리를 관리할때 이는 RAM혹은 스왑메모리에 저장됩니다. 하지만 Python은 객체가 생성될때 이를 이용하지 않고 Python object allocator를 거치게 됩니다.

Python object allocator는 SMALL_REQUEST_THRESHOLD 매크로를 기준으로 요청된 메모리가 작은 경우에는 allocator를 사용하지만 그렇지 않은 경우에는 raw memory allocator을 이용해서 관리합니다. 예전에는 이 값이 256이였지만 현재에는 512로 정의되어 있습니다. python object allocator요청이 들어오면 우선 큰 크기의 메모리 블럭을 하나 할당합니다. 이 메모리 블럭을 Python에서는 arena라고 이름지었다. 이 arena에는 4K 크기의(일반적인 페이지 사이즈) 풀들이 있고 이 메모리 풀에는 8byte크기의 여러개의 chunk로 관리됩니다. 여기서 굳이 8바이트를 선정한데에는, 많은 플랫폼에서 memory return alignment가 맞지 않는경우에 bus error를 가져옵니다. 그 중에서 8 byte가 가장 일반적인 메모리 정렬 기준이기 때문입니다. (참고1, 참고2)

 __________________________________________________________________________
|       |       |       |       |          |       |       |       |       |
| chunk | chunk |  ...  | chunk |    ...   | chunk | chunk | chunk |  ...  |
|_______|_______|_______|_______|__________|_______|_______|_______|_______|
|                       |                          |                       |
|          Pool         |  Pool          ...       |          Pool         |
|_______________________|__________________________|_______________________|
|                                                  |                       |
|                     Arena                        |         Arena ...     |
|__________________________________________________|_______________________|


Request in bytes     Size of allocated block      Size class idx
----------------------------------------------------------------
       1-8                     8                       0
       9-16                   16                       1
      17-24                   24                       2
      25-32                   32                       3
      33-40                   40                       4
      41-48                   48                       5
      49-56                   56                       6
      57-64                   64                       7
      65-72                   72                       8
       ...                   ...                     ...
     497-504                 504                      62
     505-512                 512                      63

이런 구조하에서 파이썬이 메모리를 요청해오면 1-8바이트가 요청될 경우 chunk 한개, 9-16인 경우 chunk 2개를 주는 방식으로 되어있다. 당연하지만 이 chunk들은 연속적으로 되어있어야한다. 이런 공간을 최소한의 크기로 찾기 위해서 simple segregated storage라는 전략을 사용한다. 그리고 이렇게 큰 메모리를 선언할때에는 힙 메모리의 파편화를 막기 위해서 mmap을 사용한다. 이는 arena영역을 생성하는 arena allocator에서 확인할수 있다. mmap을 지원하는 플랫폼에서는 mmap을 사용하고 windows환경에서는 VirtualAlloc함수를 사용한다.

static PyObjectArenaAllocator _PyObject_Arena = {NULL,
#ifdef MS_WINDOWS
    _PyObject_ArenaVirtualAlloc, _PyObject_ArenaVirtualFree
#elif defined(ARENAS_USE_MMAP)
    _PyObject_ArenaMmap, _PyObject_ArenaMunmap
#else
    _PyObject_ArenaMalloc, _PyObject_ArenaFree
#endif
    };

결말

파이콘에서는 메모리가 어떻게 소멸되는지에 대해서 이야기 했는데 어쩌다 보니 파이썬이 메모리를 어떻게 만들고 관리해가는지에 대한 이야기까지 하게 되었다. 파이콘 발표자료를 블로그로 정리해서 어떻게 파이썬이 메모리를 소멸하는지에 대해서도 작성해보겠다.

참고