코드 한 줄은 어떻게 실행되나

우리가 쓴 코드 한 줄은 CPU 안에서 정확히 어떻게 실행될까요? CPU는 만능 기계가 아니라 버튼이 몇 개 안 되는 리모컨이어서, 한 줄이 버튼 여러 번으로 쪼개집니다.

컴퓨터는 결국 아주 빠른 계산기입니다. 우리가 작성한 코드는 컴파일이나 해석을 거쳐 CPU가 이해하는 아주 단순한 명령들의 목록이 되고, CPU는 그 목록을 위에서부터 하나씩 실행합니다. 이 단원에서는 그 "하나씩"이 실제로 어떤 순서로 일어나는지, 함수를 호출하면 무엇이 어디에 기록되는지, 그리고 데이터가 메모리 어디에 놓이는지를 봅니다. 아래 애니메이션을 단계 버튼으로 직접 넘겨보면서 읽으면 가장 좋습니다.

① CPU가 하는 일은 사실 세 가지뿐

CPU는 (1) 다음에 실행할 명령을 메모리에서 가져오고(인출), (2) 그게 무슨 뜻인지 해석하고, (3) 실행합니다. 이 세 가지를 초당 수십억 번 반복하는 것이 전부입니다. 우리가 "프로그램이 돈다"고 부르는 현상은 이 반복이 빠르게 이어지는 것뿐입니다.

② 메모리는 번호가 붙은 사물함

메모리는 1바이트짜리 칸이 길게 늘어선 것이고, 각 칸에는 0번, 1번, 2번… 하는 번호가 붙어 있습니다. 이 번호를 주소라고 부릅니다. CPU는 "몇 번 칸의 값을 가져와라", "몇 번 칸에 이 값을 넣어라" 같은 식으로만 메모리를 다룹니다. 변수 이름은 사람이 쓰기 편하라고 붙인 이름표일 뿐, 실제로는 전부 주소로 번역됩니다.

③ 레지스터 — CPU 안에 있는 아주 작은 작업대

메모리는 CPU 입장에서 꽤 먼 곳입니다(수십~수백 배 느립니다). 그래서 CPU 안에는 값 몇 개만 담아두는 초고속 저장소가 있는데, 이것이 레지스터입니다. 그중 특별한 레지스터 하나가 PC(프로그램 카운터)로, "다음에 실행할 명령이 몇 번 줄(주소)인지"를 담고 있습니다. 오른쪽 패널에서 PC 값이 바뀌는 걸 보면, 실행이 어디로 흘러가는지가 그대로 보입니다.

④ 스택 — 함수 호출을 위한 임시 작업 공간

함수를 호출하면 그 함수의 지역변수를 놓을 자리가 필요합니다. 이 자리를 스택 프레임이라고 하고, 호출할 때 쌓고(push) 끝나면 걷어냅니다(pop). 접시를 쌓듯 마지막에 올린 것이 먼저 내려오기 때문에 스택(더미)이라고 부릅니다. 중요한 건 프레임에 지역변수만 들어가는 게 아니라는 점입니다 — "이 함수가 끝나면 돌아갈 주소"도 함께 적힙니다. return이 어디로 돌아갈지 아는 비밀이 바로 이것입니다.

⑤ 힙 — 크고 오래 사는 데이터의 창고

배열이나 객체처럼 크기가 크거나, 함수가 끝난 뒤에도 살아 있어야 하는 데이터는 스택에 두기 곤란합니다(프레임이 사라지면 같이 사라지니까요). 그래서 이런 데이터는 힙이라는 별도 영역에 놓고, 스택에는 그 데이터가 있는 위치만 적어둡니다. 이 페이지에서는 힙 상자마다 @1, @2 같은 주소표를 붙이고 스택 변수는 그 번호만 들게 그렸습니다. 스택의 @1과 힙 상자의 @1이 같은 번호인지 확인하며 보세요.

단계 1/9속도

program

1main() {
2  prices = [12000, 8000]PC ◀
3  total = sum(prices)
4  print(total)
5}
6sum(list) {
7  t = 0
8  for n in list: t += n
9  return t
10}

실행은 main의 첫 줄에서 시작합니다 — 아래의 sum(6~10번 줄)은 "정의"일 뿐, 호출되기 전엔 실행되지 않습니다. CPU는 PC(프로그램 카운터) 레지스터에 "지금 실행할 줄"을 들고 있습니다: PC = 2. 배열 실물은 힙 상자에 담기고 주소표 @1이 붙습니다. 스택의 prices에는 그 번호만 적힙니다.

CPU0

상태실행 중PC · 실행 위치→ 2번 줄

스택↑ 위가 최근 프레임

main()

prices = @1

힙

@1Array [12000, 8000]

시뮬레이터에서 해보기

1.같은 '3-tier 기본' 프리셋 — Spring 카드를 클릭하면 기본 1,000 RPS에서 CPU 63%입니다. 이 숫자가 바로 지금 이 단원에서 본 '명령어가 한 줄씩 실행되는' 결과입니다.
2.RPS 슬라이더를 올려 요청을 늘리면 초당 실행해야 할 명령어 총량이 늘어나고, CPU 게이지가 같이 올라갑니다 — 코드 실행과 CPU 사용률의 관계를 직접 눈으로 확인하세요.

시뮬레이터에서 실험해보기 →

이 단원의 용어

명령(instruction): CPU가 한 번에 처리하는 가장 작은 작업 단위. "더해라", "이 값을 저기로 옮겨라" 수준.
주소(address): 메모리 칸에 붙은 번호. 변수 이름은 결국 주소로 번역된다.
레지스터(register): CPU 안의 초고속 저장소. 개수가 아주 적고, 지금 계산에 쓰는 값만 올려둔다.
PC (프로그램 카운터): 다음에 실행할 명령의 주소를 담은 특별한 레지스터. "실행 위치".
스택 프레임: 함수 하나가 쓰는 임시 공간. 지역변수 + 복귀 주소가 들어간다. 호출 시 쌓이고 return 시 사라진다.
힙(heap): 크거나 오래 사는 데이터를 놓는 메모리 영역. 스택은 그 위치(주소)만 든다.
참조(reference): 값 자체가 아니라 "값이 있는 곳의 주소"를 들고 있는 것. 이 페이지의 @1 표기.

호출 = 복귀 주소 등록 + 점프. return = 그 주소로 복귀.

남은 문제

그런데 힙에 놓인 상자들은 언제, 누가 치울까요? 프로그램을 오래 켜두면 메모리는 왜 점점 찰까요? →