게임 엔진 레벨 메모리 할당 및 커스텀 메모리 풀 관리

게임 엔진에서 메모리 관리는 왜 직접 해야 하는가?

일반적인 데스크탑 소프트웨어는 운영체제가 제공하는 메모리 할당 함수인 malloc, new 등을 그대로 사용하는 것이 보편적이다. 하지만 게임 엔진이라는 실시간성 요구가 극단적으로 높은 환경에서는 이러한 기본 할당자로는 성능 보장에 한계가 따른다. 예를 들어, 60프레임 게임의 경우 한 프레임에 16.67ms 이내에 모든 계산을 완료해야 하며, 메모리 할당으로 인한 불확실한 지연은 심각한 프레임 드랍을 유발할 수 있다. 게다가 게임은 수천 개의 오브젝트를 매 프레임마다 생성하고 파괴하는 일이 빈번하므로, 메모리 단편화가 누적되면 프로그램 전체의 안정성이 위협받는다. 따라서 게임 엔진은 자체적인 메모리 풀을 구성하여 예측 가능하고 빠른 메모리 관리가 가능하도록 설계되어야 한다.

메모리 계층 구조에 대한 이해

게임 엔진은 메모리 사용의 목적과 수명을 기준으로 다양한 레벨의 할당기를 계층화한다. 가장 아래는 운영체제 수준의 시스템 할당자가 위치하며, 이는 VirtualAlloc, sbrk, mmap 등을 통해 대용량 메모리를 요청하는 기능을 담당한다. 그 위에는 엔진 전체에서 사용할 수 있도록 설계된 글로벌 메모리 관리자가 있으며, 여기에 프레임 단위 스택 할당자, 고정 크기 풀, 슬랩 할당기 등이 포함된다. 그리고 각 서브시스템(예: 물리, 렌더링, AI)은 자신만의 전용 풀을 관리하여, 기능별 메모리 격리를 구현한다. 마지막으로, 매우 짧은 수명을 갖는 임시 데이터는 프레임 메모리 할당기를 통해 처리된다. 이처럼 메모리 계층은 단순한 성능이 아니라 메모리의 생애 주기를 고려한 관리 전략의 집약체다.

고정 크기 메모리 풀의 구현 방식

동일한 크기의 객체를 반복적으로 생성·삭제하는 상황에서는 고정 크기 메모리 풀이 가장 효율적이다. 메모리 풀은 미리 큰 블록을 확보한 뒤, 이를 동일한 크기의 청크로 나누어 free list 구조로 관리한다. 할당 시에는 free list의 첫 번째 요소를 반환하고, 해제 시에는 반환된 포인터를 다시 free list의 앞에 연결한다. 이 방식은 내부적으로 다음과 같은 형태로 구현된다.

class FixedPoolAllocator {
public:
    FixedPoolAllocator(size_t elementSize, size_t elementCount)
        : m_elementSize(elementSize), m_elementCount(elementCount) {
        m_pool = std::malloc(elementSize * elementCount);
        reset();
    }

    void* allocate() {
        if (!m_freeList) return nullptr;
        void* element = m_freeList;
        m_freeList = *(void**)m_freeList;
        return element;
    }

    void deallocate(void* ptr) {
        *(void**)ptr = m_freeList;
        m_freeList = ptr;
    }

    void reset() {
        m_freeList = m_pool;
        char* p = static_cast(m_pool);
        for (size_t i = 0; i < m_elementCount - 1; ++i) {
            *(void**)p = p + m_elementSize;
            p += m_elementSize;
        }
        *(void**)p = nullptr;
    }

    ~FixedPoolAllocator() {
        std::free(m_pool);
    }

private:
    void* m_pool;
    void* m_freeList;
    size_t m_elementSize;
    size_t m_elementCount;
};

이 구조는 예측 가능한 할당 시간, 단편화 최소화, 낮은 오버헤드를 바탕으로 UI 요소, 파티클, AI 액터 등에서 자주 사용된다.

프레임 메모리 할당자(Frame Allocator)의 필요성

게임에서 많은 데이터는 단일 프레임 안에서만 유효하다. 예를 들어, 경로 탐색 결과, 매 프레임 생성되는 임시 메시지, UI 레이아웃 계산값 등이 여기에 해당된다. 이러한 데이터를 위해 매번 new/delete를 사용하는 것은 비효율적이다. 따라서 프레임 할당자는 매 프레임마다 할당은 빠르게 하고, 프레임이 종료되면 일괄적으로 전체를 reset하는 방식으로 작동한다. 일반적으로 선형 할당 포인터를 사용하며, 해제는 전체 초기화로 대체된다.

class FrameAllocator {
public:
    FrameAllocator(size_t size) {
        m_start = (char*)std::malloc(size);
        m_current = m_start;
        m_size = size;
    }

    void* allocate(size_t size) {
        if (m_current + size > m_start + m_size) return nullptr;
        void* result = m_current;
        m_current += size;
        return result;
    }

    void reset() {
        m_current = m_start;
    }

    ~FrameAllocator() {
        std::free(m_start);
    }

private:
    char* m_start;
    char* m_current;
    size_t m_size;
};

이처럼 프레임 할당자는 성능에 민감한 시스템에서 일시적 데이터를 다루기에 적합하다. 단점은 개별 해제가 불가능하다는 점이다.

메모리 추적과 디버깅 전략

복잡한 메모리 구조를 갖는 게임 엔진에서는 메모리 누수나 해제 후 접근(Use-after-free), 중복 해제(Double-free)와 같은 문제를 추적하기 위한 시스템이 필수다. 디버그 빌드에서는 할당 정보에 태그, 스택 트레이스, 시간, 크기 등을 삽입하며, 전용 툴과 연동하여 시각화하거나, Sentinel 마커를 통해 buffer overrun을 감지한다. 또한 해제되지 않은 메모리를 매 프레임 로그에 기록하거나, 개발 중인 기능에 메모리 릭이 있는지 탐지하는 Leak Detector도 자주 활용된다. 상용 또는 오픈소스 도구로는 AddressSanitizer, Valgrind, Visual Leak Detector 등이 있다.

플랫폼별 고려사항과 메모리 제한

콘솔 플랫폼(예: PlayStation, Xbox)은 고정된 메모리 용량 내에서 동작하므로, 런타임 동적 할당 없이 미리 설정된 Arena 메모리를 활용하는 방식이 권장된다. 모바일에서는 앱이 백그라운드로 전환되거나 시스템이 메모리 압박을 받으면 앱이 강제로 종료될 수 있으므로, 메모리 풀의 크기를 조정하거나 Android의 Ashmem, iOS의 autorelease pool과 같은 플랫폼 특성을 반영해야 한다.

결론

게임 엔진에서 메모리 관리는 단순한 기술 요소를 넘어서, 전체 퍼포먼스와 안정성을 뒷받침하는 핵심 인프라라고 할 수 있다. 특히 실시간으로 방대한 데이터를 처리하고 수많은 오브젝트를 다루는 환경에서는, 커스텀 메모리 풀과 프레임 기반 할당 시스템이 성능을 좌우한다. 단편화 없는 할당 구조, 예측 가능한 실행 흐름, 플랫폼 특성을 고려한 아키텍처는 현대 게임 엔진이 가져야 할 필수 조건이다. 메모리 시스템이 안정적일수록 게임 개발자는 로직과 콘텐츠에 더 집중할 수 있으며, 사용자는 더 몰입감 있는 경험을 얻게 된다. 결국, 보이지 않는 메모리의 흐름이 눈에 보이는 게임의 품질을 결정한다는 사실은 결코 과장이 아니다.

FAQ

커스텀 메모리 풀은 어떤 상황에서 반드시 필요한가요?

동일한 크기의 객체가 반복적으로 생성·삭제되는 경우, 커스텀 메모리 풀의 효과는 극대화됩니다. 예를 들어, 총알, 파티클, UI 요소와 같이 수명이 짧고 수가 많은 객체를 다룰 때 필수적입니다.

엔진에서 malloc/free를 쓰면 안 되나요?

물론 사용할 수는 있지만, malloc/free는 범용 목적의 할당 방식이기 때문에 게임과 같은 실시간 환경에서 성능이나 단편화 측면에서 문제가 생기기 쉽습니다. 예측 가능성과 속도를 위해 커스텀 할당자가 더 적합합니다.

프레임 메모리 할당자는 언제 사용하나요?

한 프레임 내에서만 유효한 임시 데이터를 다룰 때 사용합니다. 예를 들어 경로 계산 결과나 UI 텍스트 배치 데이터처럼 다음 프레임에서는 필요 없는 정보는 프레임 할당자를 통해 효율적으로 관리할 수 있습니다.

객체 풀이랑 고정 크기 풀이 어떻게 다른가요?

객체 풀은 메모리뿐만 아니라 객체 자체를 재활용하기 위한 구조입니다. 반면 고정 크기 풀은 동일한 크기의 메모리 블록을 빠르게 할당하기 위한 구조로, 객체 생성은 별도로 처리됩니다. 목적과 사용 방식이 다릅니다.

커스텀 할당자의 디버깅은 어떻게 하나요?

디버그 모드에서는 각 할당에 태그, 크기, 스택 트레이스를 기록하거나, 마커(Sentinel)를 삽입해 오버런이나 더블 프리를 감지합니다. 또한 Visual Leak Detector나 AddressSanitizer 같은 툴을 함께 활용하면 좋습니다.

모바일과 콘솔 플랫폼에서는 메모리 할당을 어떻게 달리해야 하나요?

모바일은 시스템 메모리가 부족하거나 앱이 백그라운드에서 종료될 수 있어 메모리 압박 대응이 중요합니다. 콘솔은 메모리 용량이 고정되어 있기 때문에 미리 정해진 Arena 안에서 풀을 나눠 사용하는 방식이 효과적입니다.

링 버퍼와 프레임 스택의 차이는 뭔가요?

프레임 스택은 선형으로 쌓았다가 한 번에 초기화하는 구조이고, 링 버퍼는 일정 크기를 순환하면서 사용합니다. 전자는 일괄 해제, 후자는 재사용이 강점이며, 상황에 따라 선택적으로 쓰입니다.

메모리 단편화는 어떤 식으로 문제를 일으키나요?

시간이 지날수록 다양한 크기의 블록이 메모리 내에 산재하게 되면, 큰 블록을 할당할 공간이 부족해지고 할당 실패나 성능 저하로 이어질 수 있습니다. 특히 콘솔처럼 고정 메모리 환경에서는 치명적입니다.

커스텀 메모리 시스템이 멀티스레딩에 영향을 줄 수 있나요?

그렇습니다. 멀티스레드 환경에서는 동시 접근을 고려해 락이나 락프리 알고리즘이 필요합니다. 잘못 설계된 커스텀 메모리 시스템은 오히려 병목이나 데드락의 원인이 될 수 있습니다.

기존 엔진에 커스텀 메모리 시스템을 도입하려면 어떻게 시작하나요?

우선 할당 트래픽이 많은 영역부터 분석하고, 그 부분에만 고정 크기 풀이나 프레임 할당자 등 작은 단위의 커스텀 시스템을 도입해보는 것이 좋습니다. 전면 교체보다는 점진적 적용이 안정적입니다.