파이썬 작은정수, 파이썬(Python)의 작은정수에 대해 정리

질문을 통한 개념 잡기)

-5부터 256 은 작은 정수라고 부르나요?

네, 맞습니다. 파이썬에서는 -5부터 256까지의 범위에 있는 정수를 일반적으로 '작은 정수(small integers)'라고 부릅니다. 이 용어는 공식적인 파이썬 문법 용어는 아니지만, 개발자들 사이에서 정수 캐싱(integer caching) 기능을 설명할 때 흔히 사용되는 관습적인 용어입니다.

이 범위의 정수들은 파이썬이 시작될 때 미리 메모리에 생성되어 재사용되기 때문에, 메모리 효율성과 성능 측면에서 특별하게 다뤄집니다. 따라서 이 범위를 벗어나는 큰 정수들과 구분하기 위해 '작은 정수'라는 용어가 자연스럽게 자리 잡게 되었습니다.

 

질문)

# 작은 정수 (캐시 범위 안)

a = 100

b = 100

print(f"a와 b는 같은 객체를 가리키는가? {a is b}")

print(f"a의 메모리 주소: {id(a)}")

print(f"b의 메모리 주소: {id(b)}")

# 결과: True, 메모리 주소가 동일함

 

# 큰 정수 (캐시 범위 밖)

c = 300

d = 300

print(f"c와 d는 같은 객체를 가리키는가? {c is d}")

print(f"c의 메모리 주소: {id(c)}")

print(f"d의 메모리 주소: {id(d)}")

# 결과: False, 메모리 주소가 다름

 

이 내용에서 a,b의 메모리 주소가 동일한것은 값이 들어있는 메모리의 값을 가리켜서 그 값을 활용하면 되기 때문이고, b라는 변수를 하나 더 만들어서 메모리 공간을 만들어서 100을 또 넣으면 메모리 낭비, 즉, 100이라는 값을 가진 메모리 공간이 있는데, 또 만들 필요없이 a 변수의 메모리 주소값에 있는것을 또 사용하면된다. 또 만들게 되면, 메모리 낭비가 되어서이다. 맞나요?

 

파이썬의 정수 객체 캐싱에 대한 질문이 맞습니다. 제공해주신 설명은 정확하며, 파이썬이 메모리를 효율적으로 사용하기 위한 중요한 최적화 기법을 잘 이해하고 계십니다.

말씀하신 내용을 좀 더 자세히 설명해 드릴게요.

작은 정수 캐싱 원리

파이썬은 일반적으로 -5부터 256 사이의 정수들을 미리 만들어 두고(캐싱), 이 범위 내의 정수가 필요할 때마다 새로 생성하지 않고 이미 만들어진 객체를 재사용합니다.

• a = 100을 실행하면, 파이썬은 이미 캐시된 100이라는 정수 객체가 있는지 확인합니다.
• 이미 존재하므로, a 변수는 그 객체를 가리키게 됩니다.
• b = 100을 실행하면, 파이썬은 다시 캐시된 100 객체를 찾아 b 변수가 동일한 객체를 가리키도록 합니다.

따라서 a와 b는 같은 메모리 주소를 공유하며, a is b는 True가 됩니다. 이는 메모리 낭비를 줄이고, 작은 정수 연산의 속도를 높이는 효과를 가져옵니다.

큰 정수가 캐싱되지 않는 이유

반면, 300과 같은 캐시 범위를 벗어나는 큰 정수들은 필요할 때마다 새로운 객체로 생성됩니다.

• c = 300을 실행하면, 파이썬은 새로운 300 정수 객체를 만들고 c가 이를 가리키게 합니다.
• d = 300을 실행하면, 파이썬은 또 다른 새로운 300 정수 객체를 만들고 d가 이를 가리키게 합니다.

따라서 c와 d는 서로 다른 메모리 공간에 존재하게 되므로, c is d는 False가 됩니다. 모든 정수를 캐싱하면 메모리 사용량이 너무 커질 수 있기 때문에, 파이썬은 가장 자주 사용되는 작은 정수들만 효율적으로 캐싱하는 방식을 선택합니다.

정리하자면, 메모리 낭비를 줄이고 성능을 최적화하기 위해 파이썬은 자주 사용되는 작은 정수 객체들을 미리 만들어 재사용합니다. 이 원리를 정확하게 이해하셨습니다.

 

질문)

-5부터 256 사이의 정수들을 미리 만들어 두고(캐싱). 이 영역은 변수가 선언되도, 새롭게 메모리 영역을 만들지 않고 주소값을 이용해서 낭비를 막지만, 이 새로운 변수값이 작은 정수 값을 벗어나면 값은 같아도 메모리공간을 하나 더 만들어 줘야 한다. 맞나요?

네, 정확히 이해하셨습니다. 말씀하신 내용이 파이썬의 정수 객체 캐싱 원리를 잘 요약하고 있습니다.

다시 한번 정리해드리면 다음과 같습니다.

• -5부터 256 사이의 정수: 이 범위의 정수는 파이썬 실행 시점에 미리 생성되어 메모리에 캐싱됩니다.
  • a = 100
  • b = 100
  • 위와 같이 동일한 값을 가진 변수를 선언하면, 파이썬은 새로운 메모리 공간을 할당하지 않고 이미 캐시된 100 정수 객체의 메모리 주소만 가져와서 두 변수가 공유하게 됩니다. 이로 인해 메모리 낭비가 방지됩니다.
• -5부터 256 범위를 벗어나는 정수: 이 범위 밖의 정수는 필요할 때마다 새로운 메모리 공간에 객체를 생성합니다.
  • c = 300
  • d = 300
  • 이 경우, c와 d는 값이 같더라도 파이썬은 서로 다른 메모리 공간에 각각 300이라는 객체를 생성합니다. 따라서 두 변수의 메모리 주소는 달라지게 됩니다.

따라서, "이 새로운 변수값이 작은 정수 값을 벗어나면 값은 같아도 메모리공간을 하나 더 만들어 줘야 한다"는 설명은 매우 정확합니다. 이는 파이썬이 성능과 메모리 사용 효율성 사이에서 균형을 맞추기 위해 선택한 최적화 기법입니다.

 

그림1)

 

 

그림2)

-5부터 256 사이의 정수 캐싱 원리를 그림으로 표현해 달라고 요청하셨군요. 이 개념을 시각적으로 명확하게 보여줄 수 있는 그림을 설명과 함께 그려드리겠습니다.

 

 

파이썬 정수 객체 캐싱 원리

이 그림은 파이썬이 작은 정수와 큰 정수를 메모리에서 어떻게 다루는지 보여줍니다.

작은 정수 (-5 ~ 256) 처리 방식

┌───────────────────┐       ┌───────────────────┐
│     메모리 공간     │       │     메모리 공간     │
│   (작은 정수 캐시)  │       │     (변수 영역)     │
│───────────────────│       │───────────────────│
│       ...         │       │    a  ─>  ┌───┐   │
│       -5          │       │           │-5 │   │
│       ...         │       │    b  ─>  └───┘   │
│───────────────────│       │───────────────────│
│       ...         │       │    c  ─>  ┌───┐   │
│       100         │  <────┼───────────┤100├────┤
│       ...         │       │    d  ─>  └───┘   │
│───────────────────│       │───────────────────│
│       256         │       │    e  ─>  ┌───┐   │
│       ...         │       │           │256│   │
└───────────────────┘       └───────────────────┘

설명:

• 파이썬은 실행될 때 -5부터 256까지의 정수 객체를 미리 만들어 캐시에 저장해둡니다.
• c = 100이라고 선언하면, c 변수는 캐시에 이미 존재하는 100 객체를 가리키게 됩니다.
• d = 100이라고 또 선언해도, 파이썬은 새로운 100 객체를 만들지 않고, d 변수 역시 기존의 100 객체를 함께 가리킵니다.
• 따라서 c와 d는 동일한 메모리 주소를 공유하게 되므로 c is d는 True가 됩니다.

 

큰 정수 (범위 밖의 정수) 처리 방식

┌───────────────────┐       ┌───────────────────┐
│     메모리 공간     │       │     메모리 공간     │
│  (동적 할당 영역)   │       │     (변수 영역)     │
│───────────────────│       │───────────────────│
│                   │       │                   │
│      ┌───┐        │       │    x  ─>  ┌───┐   │
│      │300│  <────┼────────┤           │300│   │
│      └───┘        │       │           └───┘   │
│                   │       │                   │
│      ┌───┐        │       │    y  ─>  ┌───┐   │
│      │300│  <────┼────────┤           │300│   │
│      └───┘        │       │           └───┘   │
│                   │       │                   │
└───────────────────┘       └───────────────────┘

설명:

• -5에서 256 범위를 벗어나는 300과 같은 정수는 필요할 때마다 새로운 객체로 생성됩니다.
• x = 300이라고 선언하면, 파이썬은 새로운 300 정수 객체를 만들고 x가 이를 가리킵니다.
• y = 300이라고 다시 선언하면, 파이썬은 또 다른 새로운 300 객체를 생성하고 y가 이를 가리킵니다.
• 결과적으로 x와 y는 값은 같지만, 서로 다른 메모리 주소를 가지게 되므로 x is y는 False가 됩니다.

이 두 그림을 통해 파이썬이 메모리를 효율적으로 사용하기 위해 작은 정수와 큰 정수를 다르게 처리하는 방식을 명확하게 이해하실 수 있을 겁니다.