[C/C++] 10. 포인터(feat. 스마트 포인터)

 

 

 

✅ 포인터

  C++의 장점은 메모리를 직접적으로 제어할 수 있다는 것이다. 많은 개발자에게는 단점으로 느껴질 수 있다. 눈으로 훤히 확인해 볼 수 없는 메모리를 잘못 관리하면 프로그램이 죽어버리기 때문이다. 메모리를 직접 제어하는 것이 좋을 수도 있고 아닐 수도 있지만, 확실한 건 C/C++은 컴퓨터의 메인메모리가 어떻게 돌아가는지 알기에는 적합하다는 것이다. 포인터는 주소를 담고 있는 변수이다. 64비트 체제에서 integer 타입의 포인터 변수는 몇인가를 묻는 질문에 많은 분들이 4byte라고 대답한다. 포인터변수는 주소를 담고 있는 포인터변수는 컴퓨터의 워드(word)와 같다. 8비트 체제에서는 1 워드가 8비트=1바이트이다. 따라서 64비트 체제에서는 타입이 무엇이건 간에 포인터 변수의 크기는 64비트=8바이트로 고정이다.(메모리를 2의 64승까지 저장할 수 있다는 뜻)

 

포인터의 사용예시를 보자.

#include <iostream>

int main()
{
    int var = 3;
    int* p = &var;

    *p = 5;

    std::cout << "var: " << var << ", *p: " << *p << std::endl; 
    std::cout << "&var: " << &var << ", p: " << p << std::endl; 
}

// 실행결과
// var: 5, *p = 5;
// &var: 0x90, p: 0x90(실행환경에 따라 다를 수 있음)

포인터의 선언 방식은 *을 붙여주는 것 부터 시작한다. int* p 라고 하는 순간 p는 포인터 변수이며, 일반 값이 들어갈 수 없다. 주소값이 담겨야 한다는 의미이다. 또한 값을 담고 있는 변수의 주소에 접근하는 연산자는 &이다. &var는 var의 주소값을 뜻하고, 그 주소값을 포인터 변수 p에 넣는다. 또한 포인터변수의 값에 접근하는 연산자는 *이다. *p는 p가 가리키고 있는 주소의 값을 나타낸다. 위 코드를 그림과 같이 나타내면 다음과 같다.

 

많은 사람들이 포인터에 대해 어려워 한다. 딱 한번, 개념만 확실히 짚고 넘어가면 쉽게 느껴진다. 다가가지 못할 때의 느꼈던 큰 벽은 어느새 내 발아래 있게 된다. 나는 포인터 개념이 헷갈릴 땐 무조건 위와 같은 그림을 그려보라고 조언한다. 변수 p의 값에는 var의 주소값 0x90이 들어가있으며 p를 통해서 var의 값(5)에 접근하기 위해선 *p로 표현한다. 위처럼 그림을 그려간다면 이중, 삼중 포인터도 어렵지 않다.(다중 포인터는 쓰임이 많지 않아서 제외시켰다)

 

 

✅ 동적 할당

메모리 영역에 대해서 알아보자. 프로그램이 실행되면 PCB(프로세스 제어블록)과 함께 코드와 데이터가 메인메모리로 로드된다. 로드되는 메모리 영역에는 다음과 같이 세그먼트가 구분된다.

Code영역, Data영역, Heap영역, Stack영역 4가지로 구분된다. Data영역에는 선언된 전역 변수가 프로그램 실행 내내 상주하게 된다. Bss영역은 초기화 되지 않은 전역변수를 뜻하는데, 여기서는 Data영역에 속한다고 우선 알아두자. 그리고 Code영역은 우리가 짠 코드가 그대로 들어간다. 이후 Heap영역과 Stack영역은 전역변수가 아닌 변수들이 위치하는 데, 여기서 Heap영역을 알아볼 것이다.

 

  여태까지 우리가 짠 코드들은 모두 Stack영역이다. 일반적으로 선언된 모든 변수들은 지역 변수라고 봐도 무방하다. 그러면 Heap에는 어떤 변수가 들어갈까? C++에서는 동적할당 구문이 있는데, 동적할당된 변수의 특징은 메모리를 직접 소멸해주기 전까지는 절대 소멸되지 않는다는 것이다. Stack에 위치하는 지역변수는 해당 변수의 생애주기인 스코프{}를 벗어나면 소멸된다. Stack의 특징은 후입선출(Last-in, first-out)인데, 마지막에 들어온 데이터가 가장 먼저 나간다. 함수의 호출스택을 보면 알 수 있다. A함수에서 B함수를 호출하고 B함수에서 C함수를 호출했을 때 A->B->C순으로 쌓이지만 다시 나갈 땐 C->B->A순으로 나간다. 마찬가지로 지역변수 또한 가장 최근에 선언된 변수부터 소멸되어 간다. 프로그램이 프로세스가 되어 실행 중일 때 Stack영역과 Heap영역이 메모리 할당과 소멸을 반복하면서 두 영역이 세력을 겨루듯 늘기도 하고 줄기도 한다.

 

  하지만 Heap영역은 저절로 소멸되지 않는다. 아래 예시를 보자.

#include <iostream>

void createHeapVar(int* p)
{
    p = new int(111);
}

int main()
{
    int* dynamicPtr1 = new int(5);
    *dynamicPtr = 8;

    int *var = nullptr;
    createHeapVar(var);

    std::cout << "*dynamicPtr: " << *dynamicPtr << std::endl;
    std::cout << "*var: " << *var << std::endl;

    //delete dynamicPtr;
    //delete var;
}

// 실행결과
// *dynamicPtr: 8
// *var: 111

  new 키워드를 통해 동적할당을 하는 모습이다. 기본적인 형태는 new <type>(초기화구문) 이다. 그렇다면 동적할당은 왜 사용할까? 동적할당을 사용하는 경우는 런타임시 내가 필요할 때 실재하는 메모리를 할당하고 또 필요할 때 소멸시키고 싶은 경우이다. 클래스를 쓰는 경우 클래스의 크기가 커지는 것을 막기 위해서 멤버를 포인터로 두고 필요한 경우에 할당시키기도 한다. 동적할당은 굉장히 유용하면서 자유도가 큰 만큼 소멸에 대한 책임도 져야 한다.

 

  19,20번째 줄 delete를 하지 않으면 전역변수와 같이 프로그램이 실행되고 있는 동안 메모리를 차지할 것이다. 반복문을 통해서 new를 수없이 많이 하고 delete를 하지 않는 상황을 생각해 보자. Memory leak이 발생되고 있는 것이다. 위 예제처럼 금방 실행되고 main종료되는 심플한 코드가 아니라, 서버 프로그램이거나 복잡한 프로그램인 경우 치명적인 문제가 발생한다. 따라서 동적할당을 쓰는 경우엔 메모리 해제를 반드시 신경 써줘야 한다.

 

 

🧨주의

동적할당을 쓰는 경우에 메모리 해제를 반드시 신경써야 한다고 했는데, 개발자도 사람이고 누구나 실수할 수 있다. 특히 자주 하는 실수가 특정 함수에서 조기리턴을 할 경우이다. 

#include <iostream>
bool process(int var1, bool var2)
{
    UserObj user = new UserObj;	// 생성자에 넣을 내용 없으면 괄호 생략 가능

    if (user.id < 0 || var1 < 0)
    {
        std::cout << "Invalid var1!" << std::endl; 
        return false;
    }

    if (!user.flag || !var2)
    {
        std::cout << "Invalid var2!" << std::endl; 
        return false;
    }


    ...


    delete user;
    return true;
}

 

동적할당된 user와 함께 var1과 var2를 함수 초기에 검사해서 조기 리턴하는 구문이다. 하지만 조기리턴 구문에 delete가 없으므로 Memory leak이 발생할 수 있는 코드이다. 얼핏 보면 문제가 없어 보이며 함수 종료 전에 delete 했다고 안심할 수 없다는 것이다.

 

 

 

✅ 스마트 포인터

기존의 C++ 개발자와 입문자로부터 포인터 소멸에 대한 환멸과 고충이 있었을 것이다. 다행히 C++11부터는 소멸을 자동으로 책임져주는 스마트 포인터가 등장했다.

#include <memory>

int main()
{
    std::unique_ptr<int> p1 = nullptr;
    p1.reset(new int(5));

    std::unique_ptr<int> p2 = std::make_unique<int>(5);
    int* p3 = p2.get();
}

스마트 포인터의 종류에는 unique_ptr, shared_ptr, weak_ptr 등이 있지만, 이번 챕터에서는 가장 흔히 쓰이는 unique_ptr로 설명하고 주후에 자세하게 포스팅하겠다. 위 코드를 보면 delete구문이 없다. 실수로 안적은 것이 아니라 할 필요가 없는 것이다. 지역변수와 마찬가지로 스코프{}가 끝날 때 내부적으로 delete가 안전하게 호출된다.

  기본적인 unique_ptr의 형태는 std::unique_ptr<타입> (변수)이다. 처음에 nullptr로 선언했다가 reset구문으로 메모리를 할당할 수 있고, 애초에 선언 시 make_unique로 메모리를 할당할 수 있다. 두 번째 방법을 더 선호하며, 공식문서에도 두 번째 방법을 추천한다. unique_ptr 클래스의 내부 Primative 포인터를 얻고 싶으면 get() 함수를 사용하면 된다.

 

 

스마트 포인터 덕분에 메모리관리로부터 조금 안전해졌다. 이처럼 모던 C++은 지금도 새로운 개념과 편의성을 확장시키고 있으며 발전하고 있다. 새로운 것의 활용은 배우고, 새로운 것의 내부 원리를 적당히 파악함으로써 기본기가 출중하면서 동시에 트렌디한 개발자가 되보자.