필요 사전 지식: C++, Raw Pointer를 다뤄본 경험

개요 #

Raw Pointer를 사용하면 Double-Free, Null-Pointer 등의 문제가 발생할 수 있어 사용에 신중함이 요구되었습니다.

// Double-Free 예제

int* ip = new int;
// ... (3천줄 이상의 코드라고 가정)
delete ip;
// ... (2천줄 이상의 코드라고 가정)
delete ip; // 이 한줄로 프로세스는 죽는다.

그렇다면 Raw Pointer를 대신할 Smart Pointer는 과연 무엇일까요?

Smart Pointer #

C++11부터 추가된 Smart Pointer는 기존 Raw Pointer 관리에 대한 기능들을 추가한 클래스들을 말합니다.

스마트 포인터는 다음과 같은 클래스들을 말합니다.

- unique_ptr
- shared_ptr
- weak_ptr
- auto_ptr (c++17에서 제거되었고 사용하지 않습니다)

소유권 #

Smart Pointer의 핵심은 소유권입니다. 즉, 포인터를 누가 관리하느냐에 대한 하나의 방법론입니다. 예제를 통해 Smart Pointer의 핵심 개념을 설명하겠습니다.

소유권은 자원에 대한 접근을 관리하는 방법론입니다. 이를 통해 모두가 자원에 함부로 접근하지 않고 미리 규명된 방식을 통해서 자원을 관리하는 것이 핵심입니다.

Smart Pointer에서 소유권을 활용하는 방식은 다음과 같습니다.

• unique ownership : 하나의 개체는 하나의 소유권만 가집니다.
• shared ownership : 각각의 개체들은 하나의 같은 소유권을 가집니다.

그러면 차근차근 알아보겠습니다. 저 두가지의 개념을 이해하면 대부분의 Smart Pointer를 이해했다고 볼 수 있습니다.

Unique Ownership (unique_ptr) #

하나의 개체는 하나의 소유권만 가집니다.

위 문장은 unique_ptr의 핵심입니다. unique_ptr는 하나의 개체만 소유하다 스코프 바깥으로 나갈 경우에 자동으로 release 됩니다.

{
    std::unique_ptr<int> iptr { new int(645) }; // 첫 리소스 획득
} // 범위를 벗어나면 해제

unique_ptr에 포인터를 다른 곳으로 옮기면 기존 unique_ptr는 해당 포인터 접근할 수 없습니다 — 리소스의 소유권은 하나만 존재 —.

포인터는 Deleter를 따로 설정하지 않았다면 스코프 바깥으로 나갈 경우 자동으로 release 됩니다.

여기서 Deleter는 unique_ptr의 두 번째 인자로 설정한 타입을 의미하며 기본적으로 default_deleter로 설정되어 있습니다. 자신이 직접 Deleter를 설정하여 스코프 바깥으로 나갈 경우 호출되는 함수를 정의할 수도 있습니다. 보통 특수한 소멸자가 필요한 경우에 활용됩니다 (Linked List, Tree Structure 등)

Ownership Transfer #

Move Semantics(이동 시멘틱)에 대해서 간단히 설명하겠습니다. C++에서 임시 개체 값은 rvalue로 분류됩니다. std::move는 일반 값을 rvalue로 전달하는 캐스팅 함수입니다 — 여기선 xvalue로 전달하는 목적이지만 크게는 중요하지 않습니다 —.

unique_ptr를 다른 곳으로 전달하려면 std::move를 사용하여 소유권을 전달합니다.

void foo(std::unique_ptr<int> param) // 소유권 획득
{

} // 이 스코프를 벗어나면 해제된다.

int main()
{
    std::unique_ptr<int> iptr { new int(645) };
    foo(std::move(iptr)); // 소유권 이동
    // iptr의 소유권은 없어짐
} // iptr의 소유권이 없으므로 해제하지 않는다.

위 코드는 foo 함수의 인자로 iptr의 소유권을 이동하고 foo 함수의 스코프를 넘어서면 해당 포인터가 해제되는 코드입니다.

그 다음으로 Shared Ownership에 대해서 알아보겠습니다.

Shared Ownership (shared_ptr) #

각각의 개체들은 하나의 같은 소유권을 가집니다.

shared_ptr는 참조 카운팅(reference counting)을 기반으로 동작합니다. 즉, 몇 개의 shared_ptr 인스턴스가 동일한 리소스를 참조하고 있는지를 내부적으로 추적합니다.

void foo(std::shared_ptr<int> ptr)
{
    // 함수 내용
}

int main()
{
    std::shared_ptr<int> sp1 { new int(645) }; // use_count = 1
    std::shared_ptr<int> sp2 = sp1; // use_count = 2
    foo(sp1); // use_count = 3
}

shared_ptr는 use_count를 통해서 참조 횟수를 측정합니다. 다른 개체가 참조하면 use_count의 횟수가 증가하고 — 이때 증감 연산은 atomic하게 동작합니다 — 해당 참조 개체가 해제되면 use_count 횟수가 감소합니다.

• use_count가 만약 0이면 해당 포인터는 비어있고 관리되지 않는 개체로 간주되며 자동으로 해제됩니다.
• use_count가 만약 1이면 해당 포인터는 다른 개체에 참조되지 않는 개체로 간주합니다.

하지만 이때 한가지 문제가 발생합니다. 바로 순환참조(Cyclic Reference) 문제입니다. 이는 개체 서로가 서로를 참조하여 영원히 메모리를 해제하지 못하는 상황을 의미합니다.

struct B;

struct A {
    std::shared_ptr<B> b_ptr;
};

struct B {
    std::shared_ptr<A> a_ptr;
};

int main() {
    auto a = std::make_shared<A>();
    auto b = std::make_shared<B>();
    a->b_ptr = b;
    b->a_ptr = a;
}

서로를 참조하여 메모리를 해제하지 못한다.

이 문제를 해결하기 위해서 나온 Smart Pointer가 weak_ptr입니다.

weak_ptr #

weak_ptr는 shared_ptr의 순환참조(Cyclic Reference)를 해결하기 위한 Smart Pointer입니다. weak_ptr로 참조한 개체는 use_count에 영향을 주지 않으며 lock() 메서드를 통해 shared_ptr로 바꿔서 사용해야 합니다.

std::shared_ptr<int> sp = std::make_shared<int>(645);
std::weak_ptr<int> wp = sp;

if (auto temp = wp.lock()) {
    std::cout << *temp << std::endl; // sp가 살아있다면 사용 가능
} else {
    std::cout << "Object expired\n";
}

정리 #

지금까지 Smart Pointer에 대해서 알아보았습니다. 알아본 Smart Pointer에 대한 정보를 요약하면 다음과 같습니다.

• unique_ptr : 단 하나의 소유권만 필요할 때 유용합니다
• shared_ptr : 여러 개체에 공유해야 할 때 유용합니다.
• weak_ptr : shared_ptr에서 발생하는 순환참조를 해결해야 할 때 사용합니다.

Raw Poiner의 문제점을 해결하고 싶을 때 Smart Pointer는 꽤 휼륭한 선택지로 권장드립니다.

참고 자료: https://cppreference.com/w/cpp/memory.html#Memory_resources