Skip to main content

A.32. Basic Memory Management

Pada chapter ini kita akan belajar tentang salah satu hal penting dalam topik pemrograman secara general, yaitu memory management yang mencakup pembahasan tentang alamat memori, pointer, heap, stack, dan juga error-error yang terjadi karena kesalahan dalam manajemen memori.

Di bahasa pemrograman high-level biasanya topik tersebut jarang disentuh, tetapi di Rust yang notabene adalah system programming, hal di atas wajib untuk dipelajari.

Penulis tekankan bahwa mungkin pembelajaran pada bagian ini akan terasa seperti oversimplified karena tujuannya adalah untuk para pembaca yang masih dalam proses belajar atau malah belum mengenal sama sekali tentang manajemen memori.

A.32.1. Memory management​

Semua bahasa pemrograman memiliki caranya sendiri dalam melakukan pengelolaan memory atau memory management. Ada beberapa macam metode manajemen memori yang diterapkan pada bahasa pemrograman, di antaranya adalah berikut:

◉ Garbage collection (GC)​

GC adalah metode manajemen memori otomatis pada bahasa pemrograman. GC memiliki suatu unit yang disebut dengan garbage collector. Collector tersebut aktif memonitor program, dan pada periode atau event tertentu ia akan berusaha untuk mengambil kembali (reclaim) memory yang sebelumnya telah dialokasikan dengan catatan memori tersebut sudah tidak lagi digunakan. Proses ini disebut dengan dealokasi memory.

Proses dealokasi pada GC terjadi di belakang layar secara asynchronous.

Beberapa bahasa pemrograman yang menerapkan GC di antara adalah Java, C#, Go, Lisp, dan banyak bahasa lainnya.

◉ Automatic reference counting (ARC)​

ARC adalah metode manajemen memori yang diterapkan pada bahasa Objective-C dan Swift. Cara ARC me-manage memory adalah dengan mencatat reference object dan segala aktifitas yang terjadi pada object tersebut.

Di ARC, ada satuan yang disebut dengan retain count yang merupakan representasi jumlah banyaknya variabel atau object yang memegang suatu reference. Ketika reference sudah pindah ke luar scope atau dihapus isinya dan dilihat pada catatan rupanya tidak ada variabel yang memegang reference tersebut, maka dilakukan proses dealokasi memory.

Dalam bahasa yang menerapkan ARC, programmer dianjurkan untuk perhatian dan bijak dalam pengalokasian variabel beserta nilainya. Mana data yang diperlukan untuk di-retain secara strong dan mana yang tidak, harus pas sesuai dengan kebutuhan. Jika tidak hati-hati maka program mempunyai resiko lebih tinggi untuk menemui error deadlocks ataupun memory leaks (yang juga akan dibahas pada chapter ini).

◉ Manual memory management​

Manual memory management berarti programmer dibebani secara penuh dalam hal manajemen memori, mengharuskan programmer untuk super hati-hati dalam pengalokasian memory, kapan waktunya, di mana alokasinya (apakah heap atau stack), dan kapan harus melakukan operasi dealokasi memory.

Metode manajemen memori ini dipakai dalam system programming contohnya bahasa C dan C++.

◉ Ownership rules​

Manajemen memori yang dilakukan dengan menerapkan konsep ownership beserta aturan-aturannya. Metode manajemen memori ini adalah yang digunakan di Rust.

Lebih jelasnya mengenai ownership rules pada Rust dibahas pada chapter selanjutnya, yaitu Ownership. Untuk sekarang silakan selesaikan terlebih dahulu pembahasan chapter ini.

A.32.2. Memory Address​

Memory address atau alamat memori adalah sebuah lokasi spesifik di memori yang digunakan oleh software maupun hardware untuk menyimpan suatu data.

Pembahasan mengenai memory address ini sangatlah luas. Pada chapter ini kita tidak akan membahasnya secara menyeluruh, melainkan hanya poin penting yang perlu diketahui dan dibutuhkan dalam proses pembelajaran.

Ok lanjut ke contoh agar lebih jelas. Dimisalkan ada sebuah variabel bertipe data numerik i32, variabel tersebut akan membutuhkan sejumlah bit alokasi alamat memori untuk bisa menyimpan value-nya yang pada contoh ini adalah 32 bits (karena tipenya i32) atau jika dikonversi ke bentuk bytes adalah 4 bytes.

Alokasi memory address mengacu ke tipe data (bukan value), sebagai contoh pada data bertipe i32 maka berapapun value data tersebut (entah 1, 2, 1999999, atau lainnya) tetap membutuhkan 32 bits alokasi alamat memori untuk menyimpan data tersebut.

Silakan perhatikan ilustrasi berikut agar lebih jelas. Gambar diambil dari post medium.com/@luischaparroc.

Memory address

Pada contoh di atas, variabel adalah bertipe data i32, maka di memory dialokasikanlah alamat memory dengan lebar 32 bit.

Nilai variabel tersebut adalah 25, yang jika dikonversi ke bentuk binary adalah 11001. Dengan ini maka pada 32 bit yang sudah dialokasikan, akan terisi dengan nilai 11001. Penulisannya dari kanan dan jika ada slot kosong sebelah kiri maka terisi dengan 0.

Hasilnya adalah angka biner berikut:

00000000000000000000000000011001

A.32.3. Stack memory​

Masih dalam topik manajemen memori, ada dua hal lagi yang sangat penting untuk diketahui, yaitu stack dan heap. Keduanya adalah bagian dari memory, tempat di mana alokasi dilakukan.

Data disimpan dalam stack memory dalam bentuk stack. Karakteristik dari stack:

  • Di Rust programming, stack digunakan sebagai default tempat alokasi memori
  • Data yang terakhir masuk adalah yang pertama akan keluar (LIFO)
  • Data yang disimpan diketahui size/ukurannya, dan memiliki batas
  • Alokasi bersifat lokal terhadap pemanggilan fungsi
  • Kecepatan pengaksesan data sangat tinggi

Stack memory

Data untuk tipe primitif (seperti i32, bool, dll) disimpan di stack.

◉ Contoh ke-1​

Selanjutnya kita akan pelajari secara garis besar tentang bagaimana sebuah data dialokasikan di stack. Silakan mulai dengan mempelajari kode sederhana berikut (tanpa perlu dipraktikkan), kemudian ikuti pembahasan setelahnya.

fn main() {
    let x = 24;
}

Fungsi main hanya berisi 1 buah data, yaitu variabel x dengan nilai 24. Ketika fungsi tersebut dipanggil, maka data variabel x disimpan di stack (karena di Rust by default semua data disimpan di stack). Nilai x adalah numerik bertipe i32, maka compiler akan mengalokasikan 32 bits di stack memory untuk menyimpan nilai 24.

Pada catatan karakteristik stack di atas, telah disinggung bahwa alokasi data di stack bersifat lokal terhadap pemanggilan fungsi, artinya apa? ➜ Semua data dalam suatu blok fungsi akan disimpan dalam sebuah group yang disebut dengan stack frame.

Pada contoh di atas, ketika fungsi main dipanggil, sebuah stack frame terbuat, dan data variabel x disimpan dalam stack frame tersebut.

No.VariabelNilaiStack frame
0x24milik fungsi main()

Kolom No. di atas merepresentasikan urutan data dalam stack agar lebih mudah dipahami

◉ Contoh ke-2​

Ok, sekarang mari lanjut contoh ke-2 berikut ini agar makin jelas.

fn do_something() {
    let y = 13;
    let z = 11;
}

fn main() {
    let x = 24;
    do_something();
    let a = 4;
    let b = 18;
}

Program sederhana di atas memiliki dua buah fungsi, main dan do_something. Saat program dijalankan, lebih tepatnya saat fungsi main dipanggil maka sebuah stack frame dibuat dan data dalam fungsi tersebut dialokasikan pada stack frame.

Perlu diketahui bahwa eksekusi statement dalam fungsi adalah per baris, dimulai dari atas. Dengan ini maka data yang pertama dialokasikan ke memory adalah variabel x.

No.VariabelNilaiStack frame
0x24milik fungsi main()

Setelah itu, lanjut ke statement ke-2 yaitu pemanggilan fungsi do_something.

Kembali ke teori, bahwa alokasi data stack adalah bersifat lokal terhadap pemanggilan fungsi. Maka dibuatlah stack frame baru untuk pemanggilan fungsi do_something dengan isi adalah alokasi data y dan z.

No.VariabelNilaiStack frame
2z11milik fungsi do_something()
1y13milik fungsi do_something()
0x24milik fungsi main()

Setelah eksekusi blok kode do_something selesai maka stack frame pemanggilan fungsi do_something akan di-dealokasi, dikosongkan, dihapus.

Sebenarnya tidak se-sederhana itu proses dealokasi memori, ada pengecekan ownership yang harus dilakukan terlebih dahulu. Namun agar makin tidak bingung, untuk sementara kita gunakan penjelasan di atas.

Silakan selesaikan dulu pembahasan chapter ini, kemudian pada chapter selanjutnya kita akan bahas tentang apa itu Ownership.

Ok, maka dari 2 stack yang sebelumnya ada, sekarang tinggal 1 stack frame saja yaitu milik pemanggilan fungsi main.

Dari yang sebelumnya ...

No.VariabelNilaiStack frame
2z11milik fungsi do_something()
1y13milik fungsi do_something()
0x24milik fungsi main()

... sekarang menjadi ...

No.VariabelNilaiStack frame
0x24milik fungsi main()

Ok, lanjut ke block fungsi main berikutnya, yaitu let a = 4. Saat dipanggil maka ada penambahan data baru pada stack frame pertama.

No.VariabelNilaiStack frame
3a4milik fungsi main()
0x24milik fungsi main()

Kemudian sampai di statement terakhir fungsi main. Ketika let b = 14 dipanggil maka ada penambahan data baru pada stack frame pertama.

No.VariabelNilaiStack frame
4b18milik fungsi main()
3a4milik fungsi main()
0x24milik fungsi main()

Setelah fungsi selesai dieksekusi, stack frame di-dealokasi.

Kurang lebih seperti itu sekilas peran dari stack dalam Rust programming. Selanjutnya kita bahas tentang heap memory.

A.32.4. Heap memory​

Heap adalah salah satu tempat alokasi memory selain stack. Karakteristik dari heap:

  • Heap digunakan untuk alokasi data yang sifatnya dinamis, tidak diketahui size-nya, atau bisa berubah size-nya
  • Data di heap tidak memiliki pattern tertentu
  • Alokasi dan dealokasi data di heap bisa dilakukan kapanpun
  • Kecepatan pengaksesan data di heap lebih lambat dibanding stack

Ilustrasi perbandingan stack dan heap:

Heap memory

Tipe data non-primitive di Rust data-nya disimpan di heap, contohnya seperti Vector, String, dan beberapa lainnya. Penulis tekankan, bahwa yang disimpan di heap adalah data-nya saja, sedangkan atribut lainnya (seperti length dan capacity) tetap disimpan disimpan di stack. Lebih jelasnya silakan lihat ilustrasi berikut:

let numbers = vec![12, 24, 7];

Heap memory

Heap, selain digunakan sebagai penyimpanan data dinamis, kita juga bisa manfaatkan sebagai penyimpanan data jenis lainnya (secara eksplisit) menggunakan tipe data Box.

Pembahasan Lebih jelasnya mengenai heap allocation ada pada chapter String Custom Type vs &str dan juga Box. Namun untuk sekarang, penulis anjurkan untuk lanjut ke pembahasan berikutnya terlebih dahulu.

A.32.5. Error memory management​

Rust sangat disiplin dalam hal penulisan source code, terutama untuk kode-kode yang berhubungan dengan memory management. Hal ini dilakukan oleh Rust untuk meminimalisir munculnya error seperti memory leak dan sejenisnya.

Namun meski demikian, potensi error memory tetap ada, dan kita akan bahas itu nantinya setelah masuk chapter Safe & Unsafe.

Nantinya akan dibahas juga tentang beberapa error saat compile time yang error tersebut berhubungan dengan memory management, yaitu pada chapter Ownership dan Borrowing. Untuk sekarang, mari lanjut ke chapter berikutnya terlebih dahulu.

Catatan chapter 📑​

◉ Source code praktik​

github.com/novalagung/dasarpemrogramanrust-example/../memory_management

◉ Referensi​