[C++] 스마트포인터(Smart Pointer)

4 분 소요

1. Smart Pointer 란?

전제조건
- new 사용하여 동적할당(Heap영역) 받은 메모리는 반드시 delete 키워드를 사용하여 해제
- memory leak로부터 프로그램의 안전성을 보장하기 위해 스마트 포인터를 표준으로 제공
Smart pointer란?
- 포인터처럼 동작하는 클래스 템플릿으로, 사용이 끝난 메모리를 자동으로 해제

2. 스마트 포인터의 동작

new 사용해 raw pointer가 실제 메모리를 가리키도록 초기화 한 후에 기본 포인터를 스마트 포인터에 대입하여 사용
이렇게 정의된 스마트 포인터의 수명이 다하면 소멸자는 delete 키워드를 사용하여 할당된 메모리를 자동으로 해제
따라서 new 키워드가 반환하는 주소값을 스마트 포인터에 대입하면 따로 메모리를 해제할 필요가 없음

3. 스마트 포인터의 종류

C++11 이전에는 auto_ptr이라는 스마트 포인터를 사용하여 이 작업을 수행
하지만 C++11부터는 다음과 같은 새로운 스마트 포인터를 제공
1. unique_ptr
2. shared_ptr
3. weak_ptr

3.1. unique_ptr

unique_ptr이란?
- 하나의 스마트 포인터만이 특정 객체를 소유할 수 있도록 객체에 소유권 개념을 도입한 스마트 포인터
스마트 포인터는 해당 객체의 소유권을 가지고 있을 때만 소멸자가 해당 객체를 삭제
소유권이 이전되면 이전 객체는 더이상 unique_ptr 객체를 소유하지 않게 재설정
unique_ptr 인스턴스는 move() 멤버 함수를 통해 소유권을 이전할 수는 있지만 복사할 수는 없음

#include <iostream> 
#include <memory>
using namespace std; 

class Point 
{
public: 
    Point()  { cout << "Point() " << endl; } 
    ~Point() { cout << "~Point()" << endl; } 
};

int main() 
{
    // Point 형 unique_ptr인 ptr01을 선언
    unique_ptr<Point> ptr01(new Point());

    // ptr01에서 ptr02로 소유권 이전
    auto ptr02 = move(ptr01);          

    // 대입 연산자를 이용한 복사는 error
    // unique_ptr<int> ptr03 = ptr01;

    // ptr02가 가리키고 있는 메모리 영역을 삭제
    ptr02.reset();
    // ptr01가 가리키고 있는 메모리 영역을 삭제
    ptr01.reset();
} 

3.1.1. make_unique()

C++14 이후부터 제공되는 make_unique() 함수를 사용하면 unique_ptr 인스턴스를 안전하게 생성
make_unique() 함수는 전달 받은 인수를 사용해 지정된 타입의 객체를 생성하고, 생성된 객체를 가리키는 unique_ptr을 반환
이 함수를 사용하면, 예외 발생에 대해 안전하게 대처
아래는 Person 객체를 가리키는 hong이라는 unique_ptr를 make_unique() 를 통해 생성하는 예제

#include <iostream>
#include <memory>
using namespace std;

class Person
{
private:
    string name_;
    int age_;
public:
    Person(const string& name, int age);
    ~Person() { cout << "소멸자가 호출되었습니다." << endl; }
    void ShowPersonInfo();
};

int main(void)
{
    unique_ptr<Person> hong = make_unique<Person>("길동", 29);
    hong->ShowPersonInfo();
    return 0;
}

Person::Person(const string& name, int age) // 생성자 바디 정의
{
    name_ = name;
    age_ = age;
    cout << "생성자가 호출되었습니다." << endl;
}

void Person::ShowPersonInfo() {
    cout << name_ << "의 나이는 " << age_ << "살입니다." << endl;
}

3.2. shared_ptr

shared_ptr란?
- 하나의 특정 객체를 참조하는 포인터가 총 몇 개인지를 참조하는 스마트 포인터
참조하고 있는 스마트 포인터의 개수를 참조 횟수(reference count)
reference count는 특정 객체에 새로운 shared_ptr이 추가될 때마다 1씩 증가하며, 수명이 다할 때마다 1씩 감소
따라서 마지막 shared_ptr의 수명이 다하여, 참조 횟수가 0이 되면 delete 키워드를 사용하여 메모리를 자동으로 해제

#include <iostream> 
#include <memory>
using namespace std; 

class Point 
{
public: 
    Point()  { cout << "Point() " << endl; } 
    ~Point() { cout << "~Point()" << endl; } 
};

int main() 
{

    // Point 형 shared_ptr인 ptr01을 선언
    shared_ptr<Point> ptr01(new Point());
    cout << ptr01.use_count() << endl; // 1

    // 복사 생성자를 통한 ptr02 선언
    auto ptr02(ptr01);                 
    cout << ptr01.use_count() << endl; // 2

    // 대입연산자를 통한 ptr03 선언
    auto ptr03 = ptr01;
    cout << ptr01.use_count() << endl; // 3

    // 삭제
    ptr03.reset();
    cout << ptr01.use_count() << endl; // 2
    ptr02.reset();
    ptr01.reset();
    // 소멸자 ~Point() 불림
    cout << ptr01.use_count() << endl; // 0
} 

3.2.1. make_shared()

use_count() 는 shared_ptr 객체가 현재 가리키고 있는 리소스를 참조 중인 소유자의 수를 반환
make_shared() 함수를 사용하면 shared_ptr 인스턴스를 안전하게 생성
make_shared() 함수는 전달받은 인수를 사용해 지정된 타입의 객체를 생성하고, 생성된 객체를 가리키는 shared_ptr을 반환, 예외 발생에 대해 안전하게 대처가능
다음 예제는 Person 객체를 가리키는 hong이라는 shared_ptr를 make_shared() 함수를 통해 생성하는 예제

#include <iostream> 
#include <memory>
using namespace std; 

class Person 
{
    string _name;
    int _age;
public: 
    Person(const string& name, int age) : _name(name), _age(age)  { cout << "Person() " << endl; } 
    ~Person() { cout << "~Person()" << endl; } 
};

int main() 
{
    shared_ptr<Person> hong = make_shared<Person>("길동", 29);
    cout << "현재 소유자 수 : " << hong.use_count() << endl; // 1
    auto han = hong;
    cout << "현재 소유자 수 : " << hong.use_count() << endl; // 2
    han.reset(); // shared_ptr인 han을 해제
    cout << "현재 소유자 수 : " << hong.use_count() << endl; // 1
    hong.reset();
    cout << "check" << '\n';
} 

3.3. weak_ptr

weak_ptr란?
- 하나 이상의 shared_ptr 인스턴스가 소유하는 객체에 대한 접근을 제공하지만, 소유자의 수에는 포함되지 않는 스마트 포인터
이렇게 서로가 상대방을 참조하고 있는 상황을 순환 참조(circular reference)라고 함
순환참조의 문제점
- shared_ptr은 reference count를 기반으로 동작하는 스마트 포인터인데 서로가 상대방을 가리키는 shared_ptr를 가지고 있다면
- 참조 횟수는 절대 0이 되지 않으므로 메모리는 영원히 해제되지 않음
weak_ptr은 바로 이러한 shared_ptr 인스턴스 사이의 순환 참조를 제거하기 위해서 사용

// 순환참조 예시
#include <iostream>
#include <memory>

class A {
  int *data;
  std::shared_ptr<A> other;

 public:
  A() {
    data = new int[100];
    std::cout << "자원을 획득함!" << std::endl;
  }

  ~A() {
    std::cout << "소멸자 호출!" << std::endl;
    delete[] data;
  }

  void set_other(std::shared_ptr<A> o) { other = o; }
};

int main() {
  std::shared_ptr<A> pa = std::make_shared<A>();
  std::shared_ptr<A> pb = std::make_shared<A>();

  pa->set_other(pb);
  pb->set_other(pa);
  // error, 프로그램이 끝나도 소멸자가 불리지 않음
}

#include <iostream>
#include <memory>

class A {
  int *data;
  std::weak_ptr<A> other; // weak_ptr로 받음

 public:
  A() {
    data = new int[100];
    std::cout << "자원을 획득함!" << std::endl;
  }

  ~A() {
    std::cout << "소멸자 호출!" << std::endl;
    delete[] data;
  }

  void set_other(std::shared_ptr<A> o) { other = o; }
};

int main() {
  std::shared_ptr<A> pa = std::make_shared<A>();
  std::shared_ptr<A> pb = std::make_shared<A>();

  pa->set_other(pb);
  pb->set_other(pa);
  // 소멸자가 정상적으로 호출
}

참고

codenuri 강석민 강사 강의 내용기반으로 정리한 내용입니다.
코드누리
모두코드

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1. Smart Pointer 란?

2. 스마트 포인터의 동작

3. 스마트 포인터의 종류

3.1. unique_ptr

3.1.1. make_unique()

3.2. shared_ptr

3.2.1. make_shared()

3.3. weak_ptr

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