C++의 메모리 관리

Java에서는 다양한 gc 알고리즘을 통해 heap 영역의 메모리가 관리된다.
따라서 사용자가 메모리 release 과정을 신경쓸 필요가 없다.

하지만 C++의 경우, new 키워드 또는 malloc 함수를 통해 heap에 할당한 메모리는 직접 해제해야 한다.
이 내용을 포함하여 C++에서는 어떤 방법으로 메모리를 관리하는지 궁금해서 정리해보았다.
C++에서의 메모리 관리에 대한 사상, 메모리 관리 방법 순서로 나열했다.

RAII

• RAII(Resource Acquisition Is Initialization) : 자원의 소유권과 생명 주기를 객체이 생명 주기에 연계시키는 디자인 패턴
  • C++에서의 자원 관리를 위한 디자인 원칙
  • 객체가 생성될 때 자원 획득, 소멸될 때 자동으로 해제
  • 주로 스택에서 관리됨
• RAII 객체의 특징
  • exception이 발생해도 소멸자가 자동으로 호출됨
  • 명시적 해제가 필요하지 않음
• 적용 방법
  • RAII를 지원하는 표준 라이브러리 사용
    • 표준 컨테이너 : vector, list, map, stack, queue, …
      • 대입 연산자도 RAII 기반으로 구현되어 있기 때문에 새로운 객체 대입 등의 상황에서도 필요한 경우 소멸자를 자동으로 호출함
    • 동적 메모리 관련 : unique_ptr, shared_ptr(<memory>에 존재)
    • 파일 관련 : fstream, ofstream, ifstream
    • 멀티스레드 관련 : lock_guard, unique_lock
  • 힙 영역에서의 동적 할당이 꼭 필요할 경우, 스마트 포인터를 사용하여 객체 생성
    • 예시

    class Resource {
    public:
        Resource() { std::cout << "Resource acquired.\n"; }
        ~Resource() { std::cout << "Resource released.\n"; }
    };
    
    int main() {
        {
            auto ptr = std::make_unique<Resource>();
        }
        return 0;
    }
    

    • Resource는 ptr이 스코프를 벗어날 때 자동으로 소멸함
    • make_unique, make_shared 함수를 사용해서, new 대신 스마트 포인터를 사용하여 heap 영역에 동적 할당 가능

스마트 포인터

• RAII를 기반으로 함
  • 객체의 생명 주기를 자동으로 관리
  • 스코프를 벗어날 때 자동으로 메모리 해제
• unique_ptr : 독점 소유권을 가짐
  • 동일한 자원은 하나의 unique_ptr만 가질 수 있음
  • unique_ptr 객체가 스코프를 벗어나면 메모리가 자동으로 해제됨

  • 예시

    void example() {
        auto ptr = std::make_unique<int>(42);
        cout << *ptr << endl;
    }
    

    • ptr이 example 스코프를 벗어나면 메모리가 자동으로 해제됨
• shared_ptr : 참조 카운트를 기반으로 메모리 관리
  • 동일한 자원이 여러 개의 shared_ptr에 의해 참조될 수 있음
  • 참조 카운트가 0이 될 때 메모리가 자동으로 해제됨
  • 순환 참조 구조가 만들어지면 메모리 누수 발생 가능

  • 예시

    void example() {
      auto ptr1 = std::make_shared<int>(42);  // 참조 카운트: 1
      {
          auto ptr2 = ptr1;  // 참조 카운트: 2
          cout << *ptr2 << endl;
      }  // ptr2가 스코프를 벗어나 참조 카운트: 1
      cout << *ptr1 << endl;  // 여전히 ptr1이 참조 중
    }  // 여기서 ptr1이 스코프를 벗어나 참조 카운트: 0, 메모리 해제
    

• weak_ptr : shared_ptr과 함께 사용됨
  • 참조 카운트를 증가시키지 않는 약한 참조 제공
  • 메모리를 소유하지 않고, 메모리 관리에 관여하지 않음
  • 자원이 해제된 후 weak_ptr으로 접근하면 expired 상태를 반환함

C++에서의 메모리 관리 과정

• stack 영역 : Java와 마찬가지로, 스코프를 벗어나면 해제된다.
• heap 영역 : Java와 달리, GC가 없다. 따라서 명시적으로 해제하는 구문을 넣거나, 스마트 포인터를 사용해서 관리해야 한다.
  • new, malloc으로 할당한 메모리 : 명시적으로 해제해줘야 한다.
    • new : delete
    • malloc : free
    • 해제하지 않을 경우 메모리 누수로 이어지게 된다.
    • 해제하더라도 포인터가 그대로 남아있는 경우, 이 포인터는 해제된 주소를 참조하는 dangling pointer가 된다.
      • 이 포인터를 사용하면 정의되지 않은 동작이 발생하게 된다.
  • make_unique, make_shared 함수로 생성한 객체 : 메모리 할당 과정이 RAII 원칙을 따르는 스마트 포인터에 의해 관리됨
    • new 또는 malloc을 사용하는 것 보다 make_unique, make_shared 함수를 사용하여 동적 할당을 하는 것이 권장됨