프로그래밍공부(Programming Study)/CS-운영체제(OS)

malloc은 실제로 어디서 메모리를 가져올까

Chann._.y 2026. 4. 1.

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이전 글에서 메모리는 단순한 저장 공간이 아니라
운영체제와 하드웨어가 함께 관리하는 구조라고 정리했다.

그럼 여기서 자연스럽게 다음 질문이 나온다.

“그럼 malloc은 도대체 어디서 메모리를 가져오는 걸까?”

코드를 보면 너무 단순하다.

void *p = malloc(100);

이 한 줄로 메모리를 받는다.
그래서 처음에는 이렇게 생각하기 쉽다.

“malloc이 운영체제에서 바로 100바이트를 가져오겠지”

그런데 실제로는 대부분 그렇지 않다.

malloc은 생각보다 “게으르게” 동작한다

핵심부터 보면 이렇다.

malloc은 요청이 올 때마다 OS에 가지 않는다

이게 꽤 중요한 포인트다.

우리가 직관적으로 생각하는 흐름

malloc → OS 요청 → 메모리 반환

실제 흐름

malloc → 이미 있는 메모리에서 찾기 → 없으면 OS 요청

즉, malloc은 “메모리를 만들어내는 함수”가 아니라

이미 확보해둔 메모리를 나눠 쓰는 관리자다.

그럼 처음 메모리는 어디서 오냐

결국 한 번은 OS에서 받아와야 한다.

이때 사용하는 방법이 두 가지다.

sbrk
mmap

sbrk — 힙을 늘리는 방식

먼저 전통적인 방법이다.

프로세스의 힙(heap)을 뒤로 밀어서 메모리를 확보한다

그림으로 보면

기존 힙
[--------]

sbrk 호출

확장된 힙
[------------]

이 방식은 굉장히 단순하다.

그냥 끝을 늘린다
연속된 메모리를 얻는다

문제는 명확하다

중간에 있는 메모리는 OS에 돌려주기 어렵다
계속 쌓이기만 한다

그래서 fragmentation 문제가 생기기 쉽다.

mmap — 새로운 영역을 따로 만든다

그래서 등장한 방식이 mmap이다.

기존 힙과는 별도로, 새로운 메모리 영역을 만든다

개념적으로 보면

힙
[--------]

mmap 영역
        [------]

이 방식은 훨씬 유연하다.

필요할 때만 만든다
필요 없어지면 바로 반환 가능하다

그래서 큰 메모리를 처리할 때는 mmap이 훨씬 유리하다.

malloc은 둘 중 하나를 선택한다

여기서 중요한 포인트가 하나 있다.

malloc은 상황에 따라 sbrk와 mmap을 선택한다

대략적으로 보면:

작은 메모리 → 기존 힙에서 처리 (sbrk 기반)
큰 메모리 → mmap

왜 이렇게 나눌까?

작은 요청까지 mmap을 쓰면
시스템 콜이 너무 많이 발생해서 느려진다.

반대로 큰 메모리를 힙에서 관리하면
반환도 어렵고 단편화도 심해진다.

👉 그래서 둘을 섞어서 쓴다.

malloc의 진짜 전략

여기서 중요한 포인트 하나 더 있다.

malloc은 최대한 OS를 안 부르려고 한다

그래서 실제 동작은 이렇게 된다.

1. OS에서 큰 덩어리 확보
2. 내부에서 잘게 나눔
3. free되면 다시 재사용

즉,

“한 번 받아서 계속 돌려쓴다”

그래서 free해도 메모리가 안 줄어든다

이 구조 때문에 처음 보면 이상한 현상이 생긴다.

free(p);

했는데도:

메모리가 줄어들지 않음
RSS 그대로

이유는 단순하다.

free는 OS에 반환하는 게 아니라
malloc 내부로 되돌리는 것뿐이다

즉:

free
 ↓
메모리 OS 반환 X
 ↓
allocator 내부 저장

그래서 다음 malloc이 빠르다.

그럼 언제 OS로 돌아가나

완전히 안 돌려주는 건 아니다.

mmap으로 받은 경우

free → munmap → OS 반환

힙(sbrk)인 경우

힙의 끝 부분이어야 함
조건이 까다로움

그래서 대부분의 경우:

프로세스가 메모리를 계속 들고 있게 된다

정리하면 흐름은 이렇다

malloc 요청
 ↓
내부에서 찾기
 ↓
없으면
   ↓
   sbrk 또는 mmap

여기까지 이해하면 보이는 것들

이 구조를 이해하면 다음이 자연스럽게 설명된다.

malloc이 빠른 이유

→ 대부분 재사용이기 때문

free해도 메모리가 안 줄어드는 이유

→ OS에 반환하는 게 아니기 때문

mmap이 중요한 이유

→ 큰 메모리는 따로 관리해야 하기 때문

다음 글로 이어지는 질문

여기까지 보면 자연스럽게 이런 질문이 나온다.

“그럼 malloc 내부에서는 어떻게 나눠서 관리할까?”

이게 다음 글 내용이다.