[C++] 포인터(*), 레퍼런스(&)와 상수(Const) + Smart Pointer, Constexpr

자원(resource) 관리의 중요성

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• C++ 이후에 나온 많은 언어 (Java 등등) 들은 대부분은 가비지 컬렉터 (Garbage Collector - GC) 라 불리는 자원 청소기가 기본적으로 내장되어 있습니다.
• 가비지 컬렉터의 역할은 프로그램 상에서 더 이상 쓰이지 않는 자원을 자동으로 해제해 주는 역할을 합니다.

 

포인터 (Pointer)

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• 포인터는 대게 복사를 하기 싫거나 데이터를 공유하기 위해서 사용합니다.
• C 언어에서는 malloc 과 free 함수를 지원하여 힙 상에서의 메모리 할당합니다.
• C++ 언어에서는 new 과 delete 함수를 지원하여 힙 상에서의 메모리 할당합니다.
• 포인터(*)는 레퍼런스(&)에 대응하는 C스타일 코드입니다.
• 포인터를 생성한 경우 포인터를 더 이상 사용하지 않게 되었을 때 적절하게 소멸시켜 주어야 합니다.
• C++에서 포인터를 사용할 수밖에 없는 경우는 다음과 같습니다:
  • C 라이브러리와 의사소통 해야 함
  • 반환값이 복사하기에도 이동하기에도 너무 무거움
• C++에서는 이 기능을 위해 '스마트 포인터'라는 개념을 도입하여
  메모리 누수(memory leak)로부터 프로그램의 안전성을 보장할 수 있습니다.
  

 

스마트 포인터 (Smart Pointer)

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스마트 포인터 (Smart Pointer) 종류

중요!!! 보통의 C++ 객체에 대해 스마트 포인터가 필요한 상황에서는 주로 unique_ptr을 사용

• 포인터처럼 동작하는 클래스 템플릿으로, 사용이 끝난 메모리를 자동으로 해제해 줍니다.
• C++14 이후부터 제공되는 make_unique() 함수를 사용하면 unique_ptr 인스턴스를 안전하게 생성할 수 있습니다.
  • #include <memory>
• 스마트 포인터의 종류: 일반적으로 소멸할 수 있는 권리로 구분
  •  unique_ptr:
    • 하나의 스마트 포인터만이 특정 객체를 소유, 한 곳에서만 접근됨
    • move() 멤버 함수를 통해 소유권을 이전 가능하지만, 복사 불가.

unique_ptr<int> ptr01(new int(5)); // int형 unique_ptr인 ptr01을 선언하고 초기화함.
auto ptr02 = move(ptr01);          // ptr01에서 ptr02로 소유권을 이전함.
// unique_ptr<int> ptr03 = ptr01;  // 대입 연산자를 이용한 복사는 오류를 발생시킴. 
ptr02.reset();                     // ptr02가 가리키고 있는 메모리 영역을 삭제함.
ptr01.reset();                     // ptr01가 가리키고 있는 메모리 영역을 삭제함.

• • shared_ptr:
    • 하나의 특정 객체를 참조하는 스마트 포인터가 총 몇 개인지를 참조하여, 여러 군데에서 접근될 수 있음
    • 참조하고 있는 스마트 포인터의 개수를 reference point라 하며, 이는 특정 객체에 새로운 shared_ptr이 추가될 때마다 1씩 증가
    • 참조 개수가 0 이 되어야 가리키고 있는 객체를 할당 해제합니다.

shared_ptr<int> ptr01 = make_shared<int>(5); // int형 shared_ptr인 ptr01을 선언하고 초기화함.
cout << ptr01.use_count() << endl; // 1
auto ptr02(ptr01);                 // 복사 생성자를 이용한 초기화
cout << ptr01.use_count() << endl; // 2
auto ptr03 = ptr01;                // 대입을 통한 초기화
cout << ptr01.use_count() << endl; // 3

• • weak_ptr:
    • 하나 이상의 shared_ptr 인스턴스가 소유하는 객체에 대한 접근을 제공하지만, 소유자의 수에는 포함되지 않는 스마트 포인터입니다.
    • 만약 서로가 상대방을 가리키는 shared_ptr를 가지고 있다면, 이러한 shared_ptr 인스턴스 사이의 순환 참조를 제거하기 위해서 사용됩니다.

RAII(Resource acquisition is initialization): Memory Management Design Pattern

• 스코프 기준 리소스 관리(scope bound resource management)
• 이는 자원 관리를 스택에 할당한 객체를 통해 수행합니다.
• new와 delete로 관리되는 포인터는 RAII를 통해 관리될 수 없으나, 스마트 포인터는 RAII를 통해 관리될 수 있습니다.
• 더 이상 참조되지 않을 경우 소멸자가 호출되기 때문이다.

 

레퍼런스 (Reference)

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레퍼런스 (Reference): &

• &로 표시되는 레퍼런스는 대상 변수와 같은 메모리 위치를 참조하게 되며, &가 붙은 변수의 '별명'이라고 이해하면 편리합니다.
  
• 참조자의 타입은 대상이 되는 변수의 타입과 일치해야 하며, 선언과 동시에 초기화되어야 합니다.
• 크기가 큰 구조체와 같은 데이터를 함수의 인수로 전달해야 할 경우에 사용할 수 있습니다.

int add_ref(int &a, int &b) { return a + b; }

+ std::ref()

• 특정 타입을 참조하는 객체를 만듭니다.
• &와 다르게 타입만 같다면 참조대상을 교체 가능합니다.
• 주로 thread의 인자 또는 bind의 인자로 넘겨줄 때 사용합니다.

 

상수(Const)

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• 선언과 동시에 초기화되어야 하며, 주로 상수(초기화 후 수정되지 않을 변수)를 만들거나 멤버 변수를 수정하지 않는 클래스 메쏘드(getter)를 만들 때 사용합니다.
• 가독성 상승: const가 붙어있으면 함수가 멤버 변수나 메소드를 수정하지 않음을 쉽게 알 수 있습니다.
• 일반적으로 변수의 크기가 큰 경우 값 전달 보다 레퍼런스 전달이 빠릅니다. 
  큰 변수를 함수에 넘기면서 성능을 유지하고 싶은 경우 const &를 사용합니다.
  • 값 전달: 값의 크기가 작은 경우 등
  • const & 전달: 값의 크기가 크며, 함수 내에서 수정되지 않음
  • & 전달: 함수 내에서의 수정이 원본 변수에 반영되어야 함

 

상수 표현식 (Constexpr)

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• C++11부터 지원하며, 일반화된 상수 표현식(Generalized constant expression)을 사용할 수 있도록 합니다.
• constexpr 변수 또는 함수의 입력값은 '상수'여야 하며, 반환값(return)은 반드시 'LiteralType'이어야 합니다.
  
  • 상수값이 아닌 값으로 초기화 시도시 컴파일이 되지 않거나, 컴파일 타임에 실행되지 않습니다.
  • LiteralType: 컴파일 타임에 해당 레이아웃이 결정될 수 있는 타입을 의미합니다.
    
• constexpr은 특정 연산을 컴파일 타임에 수행하기 위해 사용되며, 다음 코드도 정상 작동합니다.

#include <iostream>

template <int N>
struct A {
  int operator()() { return N; }
};

  int main() {
  const int a = 5;
  // int arr[a]; // 배열을 선언할 때 크기는 '양의 정수형 숫자'만 가능.

  // 정수 상수식이 와야하는 경우,
  constexpr int num = 5;
  
  // i) 배열 선언식
  int arr[num];

  // ii) 템플릿 타입 인자
  A<num> a;
  std::cout << a() << '\n';

  // iii) enum 에서 값을 지정
  enum B { x = num, y, z };  // Good!
  std::cout << B::x << std::endl;
}

Constexpr 함수

#include <iostream>

constexpr int Factorial(int n) {
  int total = 1;
  for (int i = 1; i <= n; i++) {
    total *= i;
  }
  return total;
}

template <int N>
struct A {
  int operator()() { return N; }
};

int main() {
  A<Factorial(10)> a;

  std::cout << a() << std::endl;
}

• 원래는 이를 구현하기 위해 다음과 같이 템플릿 메타프로그래밍을 이용해야합니다.
• 템플릿 메타프로그래밍과 관련된 내용은 여기를 클릭하세요.

#include <iostream>

template <int N>
struct Factorial {
  static const int value = N * Factorial<N - 1>::value;
};

template <>
struct Factorial<0> {
  static const int value = 1;
};

template <int N>
struct A {
  int operator()() { return N; }
};

int main() {
  // 컴파일 타임에 값이 결정되므로 템플릿 인자로 사용 가능!
  A<Factorial<10>::value> a;

  std::cout << a() << std::endl;
}

 

#include <type_traits>

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• C++ 표준 라이브러리의 <type_traits> 에서는 여러가지 템플릿 함수들을 제공합니다.
• std::is_pointer<T>::value: is_pointer 가 전달한 인자 T가 포인터면, value가 true가 되고 아니면 false가 되는 템플릿 메타 함수
• if constexpr (<조건>): 조건이 반드시 bool 로 타입 변환될 수 있어야 하는 컴파일 타임 상수식을 조건으로 갖는 템플릿 메타 함수

#include <iostream>
#include <type_traits>

template <typename T>
void show_value(T t) {
  if constexpr (std::is_pointer<T>::value) {
    std::cout << "포인터 이다 : " << *t << std::endl;
  } else {
    std::cout << "포인터가 아니다 : " << t << std::endl;
  }
}

 

참고

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• [씹어먹는 C++] C++ 의 세계로 오신 것을 환영합니다. (new, delete): https://modoocode.com/169
• [씹어먹는 C++] 객체의 유일한 소유권 - unique_ptr: https://modoocode.com/229
• [씹어먹는 C++] 자원을 공유할 때 - shared_ptr, weak_ptr: https://modoocode.com/252
• [씹어먹는 C++] constexpr와 함께라면 컴파일 타임 상수는 문제없어: https://modoocode.com/293
• [TCP School] 32) 참조자: http://www.tcpschool.com/cpp/cpp_cppFunction_reference 
• [TCP School] 64) 스마트 포인터: http://www.tcpschool.com/cpp/cpp_template_smartPointer

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