[c++] smart pointer (unique_ptr, shared_ptr, weak_ptr)

smart pointer

C++ 프로그램에서 new 키워드를 사용하여 동적으로 할당받은 메모리는, 반드시 delete 키워드를 사용하여 해제해야 합니다.

C++에서는 메모리 누수(memory leak)로부터 프로그램의 안전성을 보장하기 위해 스마트 포인터를 제공하고 있습니다.

스마트 포인터(smart pointer)란 포인터처럼 동작하는 클래스 템플릿으로, 사용이 끝난 메모리를 자동으로 해제해 줍니다.

 

smart pointer 동작

보통 new 키워드를 사용해 기본 포인터(raw pointer)가 실제 메모리를 가리키도록 초기화한 후에, 기본 포인터를 스마트 포인터에 대입하여 사용합니다.

이렇게 정의된 스마트 포인터의 수명이 다하면, 소멸자는 delete 키워드를 사용하여 할당된 메모리를 자동으로 해제합니다.

따라서 new 키워드가 반환하는 주소값을 스마트 포인터에 대입하면, 따로 메모리를 해제할 필요가 없어집니다.

 

smart pointer 종류

C++11 이전에는 auto_ptr이라는 스마트 포인터를 사용하여 이 작업을 수행하였습니다.

하지만 C++11부터는 다음과 같은 새로운 스마트 포인터를 제공하고 있습니다.

smart pointer는 <memory> 헤더 파일의 std네임스페이스에 정의됩니다.

#include <memory>

1. unique_ptr

2. shared_ptr

3. weak_ptr

 

1. unique_ptr

-move() 

-make_unique()

 

unique_ptr은 하나의 스마트 포인터만이 특정 객체를 소유할 수 있도록, 객체에 소유권 개념을 도입한 스마트 포인터입니다. 이 스마트 포인터는 해당 객체의 소유권을 가지고 있을 때만, 소멸자가 해당 객체를 삭제할 수 있습니다.

unique_ptr 인스턴스는 move() 멤버 함수를 통해 소유권을 이전할 수는 있지만, 복사할 수는 없습니다.

소유권이 이전되면, 이전 unique_ptr 인스턴스는 더는 해당 객체를 소유하지 않게 재설정됩니다.

스마트 포인터에 대한 대입 연산자를 이용한 복사는 오류를 발생시킬 것입니다.

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.

 

make_unique()

보통의 C++ 객체에 대해 스마트 포인터가 필요한 상황에서는 주로 unique_ptr을 사용하면 됩니다.

 

C++14 이후부터 제공되는 make_unique() 함수를 사용하면 unique_ptr 인스턴스를 안전하게 생성할 수 있습니다.

 

make_unique() 함수는 전달받은 인수를 사용해 지정된 타입의 객체를 생성하고, 생성된 객체를 가리키는 unique_ptr을 반환합니다.

이 함수를 사용하면, 예외 발생에 대해 안전하게 대처할 수 있습니다.

 

예제

Person 객체를 가리키는 people이라는 unique_ptr를 make_unique() 함수를 통해 생성하는 예제입니다.

#include <string>  //Person.h
#include <memory>

class Person{

	private:
		std::string Pname = "";
		int Page = 0;

	public:
		Person(const std::string &name, int age);  //Person 클래스 생성자 선언
		~Person();
		void ShowPersonInfo();
};

#include <iostream>
#include "Person.h"   //Person.cpp

Person::~Person(){
    std::cout << " call destructor " << std::endl;
}

Person::Person(const std::string& name, int age){
    Pname = name;
    Page = age;
    std:: cout << " call constructor " << std::endl;
}

void Person::ShowPersonInfo(){
    std::cout << "name : "<<Pname << ", age : " << Page << std::endl;
}

int main(){
	std::unique_ptr<Person> people = std::make_unique<Person>("Jenny", 27);

	people->ShowPersonInfo();
}

Person 객체를 가르키는 unique_ptr인스턴스의 people은 일반 포인터와 달리 사용이 끝난 후에 delete 키워드를 사용하여 메모리를 해제할 필요가 없습니다.

 

2. shared_ptr

-use_count()

-make_shared()

-weak_ptr()

 

shared_ptr은 하나의 특정 객체를 참조하는 스마트 포인터가 총 몇 개인지를 참조하는 스마트 포인터입니다.

이렇게 참조하고 있는 스마트 포인터의 개수를 참조 횟수(reference count)라고 합니다.

참조 횟수는 특정 객체에 새로운 shared_ptr이 추가될 때마다 1씩 증가하며, 수명이 다할 때마다 1씩 감소합니다.

따라서 마지막 shared_ptr의 수명이 다하여, 참조 횟수가 0이 되면 delete 키워드를 사용하여 메모리를 자동으로 해제합니다.

shared_ptr<int> ptr01(new 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

use_count() 멤버 함수는 shared_ptr 객체가 현재 가리키고 있는 리소스를 참조 중인 소유자의 수를 반환해 줍니다.

make_shared() 함수를 사용하면 shared_ptr 인스턴스를 안전하게 생성할 수 있습니다.

make_shared() 함수는 전달받은 인수를 사용해 지정된 타입의 객체를 생성하고, 생성된 객체를 가리키는 shared_ptr을 반환합니다. 이 함수를 사용하면, 예외 발생에 대해 안전하게 대처할 수 있습니다.

 

Person 객체를 가리키는 people이라는 shared_ptr를 make_shared() 함수를 통해 생성하는 예제입니다.

std::shared_ptr<Person> people = std::make_shared<Person>("HI", 28);

std::cout << "current owner : " << people.use_count() << std::endl;
    
auto Jessi = people;

std::cout << "current owner : " << people.use_count() << std::endl;

Jessi.reset();  //shared_ptr인 Jessi를 해제함.
std::cout << "current owner : " << people.use_count() << std::endl;

3. weak_ptr

weak_ptr은 하나 이상의 shared_ptr 인스턴스가 소유하는 객체에 대한 접근을 제공하지만, 소유자의 수에는 포함되지 않는 스마트 포인터입니다.

shared_ptr은 참조 횟수(reference count)를 기반으로 동작하는 스마트 포인터입니다.

만약 서로가 상대방을 가리키는 shared_ptr를 가지고 있다면, 참조 횟수는 절대 0이 되지 않으므로 메모리는 영원히 해제되지 않습니다.

이렇게 서로가 상대방을 참조하고 있는 상황을 순환 참조(circular reference)라고 합니다.

weak_ptr은 바로 이러한 shared_ptr 인스턴스 사이의 순환 참조를 제거하기 위해서 사용됩니다.

 

참조

http://www.tcpschool.com/cpp/cpp_template_smartPointer