C++ - 스마트 포인터(smart pointer)

개요

C++에 추가된 스마트 포인터들의 종류와 사용법에 대해 알아보자. C++11 부터 추가되기 시작했으며 버전이 올라가면서 점차 자리를 잡아가고있다. 그래서 종종 사용하고는 있었지만 한번쯤 정확히 짚고넘어가야될 필요성을 느꼈다.

특히 언리얼 엔진은 C++을 사용하기는 하지만 자체 라이브러리를 많이 사용하기 때문에 순수하게 C++만 사용하기에는 부적절한 부분이 있다. 예를들어 객체를 생성할 때 new 연산을 사용하지 않고 자체적인 객체생성 문법을 사용하며, C++에서 지원하지않는 어노테이션 등도 있다.

스마트포인터도 그 중 하나인데 엔진 라이브러리에 비슷한 기능을 하는 스마트포인터 템플릿이 있고, 그 템플릿을 잘 이해하려면 기본적으로 C++의 스마트포인터를 먼저 이해해야 한다는 생각이다.

C++에서 스마트포인터를 사용하려면 <memory> 헤더를 추가해야한다.

아래 스마트포인터 코드에서 사용하는 클래스를 먼저 정의해보자. 간단하게 생성자와 소멸자가 있으며, 함수와 변수를 하나씩 추가하여 인스턴스에 접근했을 때 유효성을 확인할 수 있다.

class Object {
public:
    Object()
    {
        std::cout << "Constructor" << std::endl;
    }

    ~Object()
    {
        std::cout << "Desctructor" << std::endl;
    }

    void print()
    {
        std::cout << "print" << std::endl;
    }

    int getId()
    {
        return id;
    }

    void increaseId()
    {
        std::cout << "increase id" << std::endl;
        id++;
    }

private:
    int id;

};

 

unique_ptr

하나의 포인터만이 해당 인스턴스를 가리킬 수 있도록 한다. 객체의 소멸권한을 소유권을 가진 한 포인터 변수에게만 주기 때문에 프로그래머가 원하는 곳에서 객체를 소멸시킬 수 있다.

생성

포인터를 유일하게 만들기 위해서 std::make_unique<T> 라는 특별한 생성문법을 사용한다.

std::unique_ptr<Object> objectPtr = std::make_unique<Object>();

make_unique는 C++14부터 표준으로 추가되었다.

이동

make_unique로 생성된 인스턴스는 하나의 unique_ptr만이 가리킬 수 있으므로 일반적인 대입연산자로 다른 포인터로 옮길 수 없고, std::move 라는 함수를 사용해서 레퍼런스를 옮길 수 있다.

std::unique_ptr<Object> objectPtrA = std::make_unique<Object>();
std::unique_ptr<Object> objectPtrB = std::move(objectPtrA);

이렇게 소유권을 이동시키면 인스턴스에 대한 접근은 objectPtrB만 인스턴스에 접근할 수 있고, objectPtrA는 소유권을 잃어서 더이상 인스턴스에 접근하거나 소멸시킬 수 없게된다.

objectPtrA->print();    // work
objectPtrB->print();    // work

// objectPtrA->increaseId();   // runtime error

if (objectPtrA) 
{
    std::cout << "objectPtrA is valid" << std::endl;
    objectPtrA->increaseId();    // not executed
}

objectPtrB->increaseId();

코드에서 objectPtrA->print()는 잘 동작하는데 이는 인스턴스 변수에 직접 접근하지 않고 cout만 있는 함수이기 때문인 것 같다. 실제 변수에 접근하는 increaseId()는 호출하면 런타임 도중에 에러가 발생하기 때문에 포인터의 유효성을 검사해주어야 한다. 위 코드에서 objectPtrA는 참조를 잃고 nullptr이 되었기 때문에 if문을 통과하지 못한다.

소멸

포인터 변수는 인스터스를 소멸시킬 의무를 가진다. 물론 프로그램이 종료하면 모든 메모리가 정리되겠지만 동작 중에 객체의 소유권을 가진 포인터가 없어지면 메모리 누수가 발생하기 때문에 unique_ptr은 이러한 상황에서 자동으로 해당 객체를 소멸시켜준다.

objectPtrB = std::make_unique<Object>();
// 1.
// Destructor
// 2.
// Constructor

1. objectPtrB에 새로운 인스턴스를 대입하면 기존에 가리키고있던 인스턴스의 소멸자가 자동으로 호출되어 메모리 누수를 막을 수 있다.
2. 새로운 Object 인스턴스의 생성자가 호출된다.

위처럼 암묵적인 소멸을 시킬 수도 있고, reset()을 호출하여 명시적으로 메모리를 해제시킬 수도 있다.

objectPtrB.reset();
// Destructor

 

shared_ptr

유일한 참조를 가지도록 강제하는 unique_ptr과 다르게 여러 곳에서 참조할 수 있는 포인터를 말한다. 여러 곳에서 참조할 수 있기 때문에 인스턴스를 가리키는 포인터 변수의 개수(reference)를 카운팅하여 메모리 누수가 발생하지 않도록 한다. C#이나 다른 언어의 가비지 컬렉터와 비슷한 개념이라고 생각하면 된다.

생성

unique_ptr와 비슷하게 std::make_shared<T>를 사용해서 생성한다.

std::shared_ptr<Object> objectPtrA = std::make_shared<Object>();

use_count

인스턴스를 포인터에 대입할 때 마다 use_count가 증가하며 해당 포인터 변수에 다른 값을 대입하면 즉, 참조 회수가 줄어들면 use_count를 감소시킨다. 이 값이 0이되면 인스턴스를 자동으로 제거하여 메모리누수를 방지한다.

std::shared_ptr<Object> objectPtrA = std::make_shared<Object>();
std::cout << "objectPtrA's use count : " << objectPtrA.use_count() << std::endl;
// objectPtrA's use count : 1

std::shared_ptr<Object> objectPtrB = objectPtrA;
std::cout << "objectPtrA's use count : " << objectPtrA.use_count() << std::endl;    
// objectPtrA's use count : 2

objectPtrB = nullptr;
std::cout << "objectPtrA's use count : " << objectPtrA.use_count() << std::endl;    
// objectPtrA's use count : 1

objectPtrA = nullptr;   
// Destructor

 

weak_ptr

shared_ptr처럼 여러 곳에서 인스턴스를 참조할 수 있지만 use_count를 증가시키지 않는다.

shared_ptr은 유용하지만 모든 포인터가 use_count를 증가시킨다면 순환참조와 같은 문제가 발생하였을 때 use_count가 영원히 0이되지않아 메모리를 계속 잡아먹고있는 상황이 생길 수가 있다. 따라서 use_count를 굳이 증가시킬 필요가 없는 부분에서는 weak_ptr를 사용해서 순환참조를 막을 수 있다.

std::shared_ptr<Object> objectPtrA = std::make_shared<Object>();
std::cout << "objectPtrA's use count : " << objectPtrA.use_count() << std::endl;    
// objectPtrA's use count : 1

std::weak_ptr<Object> objectPtrB = objectPtrA;
std::cout << "objectPtrA's use count : " << objectPtrA.use_count() << std::endl;    
// objectPtrA's use count : 1

objectPtrB.reset();  // not work
objectPtrA = nullptr;
// Destructor

위 코드에서 볼 수 있듯이 weak_ptr은 reset()을 호출해도 실제 인스턴스를 해제할 수 없기 때문에 안전하게 인스턴스를 다룰 수 있다.