허상 포인터 (Dangling pointer) 발생 원인과 예방 방법
Dangling pointers는 유효한 객체를 가리키지 않는 포인터를 말합니다.
객체를 가리키고 있던 메모리가 해제된 후에 그 메모리 주소를 계속 참조하는 경우와 같은 경우로, 이 메모리 주소를 역참조하는 경우 정의되지 않은 동작(undefined behavior)이 발생할 수 있습니다.
정의되지 않은 동작(undefined behavior)이란, 프로그램이 어떻게 동작할지 예측할 수 없는 상태입니다.
정의되지 않은 동작에 의해 다음과 같은 경우가 발생할 수 있습니다.
- 프로그램 크래시: 가장 일반적으로 생각되는 결과로, 프로그램이 중단되고 오류 메시지가 출력될 수 있습니다.
- 잘못된 결과: 프로그램이 계속 실행되지만, 예상과 다른 결과를 출력하거나 파일, 데이터베이스 등에 잘못된 데이터를 저장할 수 있습니다.
- 무한 루프: 프로그램이 끝나지 않고 계속 실행되는 상태에 빠질 수 있습니다.
- 메모리 누수: 프로그램이 계속 실행되면서 점점 더 많은 메모리를 소비할 수 있습니다.
발생 원인
Dangling pointers는 객체가 삭제되거나 할당 해제 될 때 발생하는 경우가 가장 흔합니다.
참조를 가지고 있는 객체가 삭제되거나 할당 해제되면, 포인터의 값이 수정되지 않아 메모리 위치를 계속 가리키고 있는데, 이 메모리가 다른 곳에서 사용되고 있다면 문제가 발생할 수 있습니다.
1. 메모리 해제 후 재참조
가장 일반적인 경우로, delete나 free를 사용하여 메모리를 해제한 후, 해당 메모리를 가리키는 포인터가 아직 해당 주소를 가리키고 있는 경우.
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int *ptr = new int(10);
delete ptr;
// ptr은 이제 Dangling pointer입니다.
*ptr = 20; // Undefined Behavior
2. 스택 메모리의 포인터 반환
함수가 스택에 할당된 로컬 변수의 주소를 반환하면, 함수가 종료되고 스택 프레임이 해제될 때, 스택에 할당된 주소를 가리키던 포인터는 Dangling pointer가 됩니다.
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int* func()
{
int x = 10;
return &x; // x는 스택에 있으므로 이 포인터는 Dangling pointer가 됩니다.
}
3. 객체의 생명주기가 끝난 후 참조
객체가 스코프를 벗어나거나 명시적으로 삭제된 후, 그 객체의 멤버를 가리키는 포인터가 있을 경우입니다.
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void func()
{
int *ptr;
{
int x = 10;
ptr = &x;
}
// x는 스코프를 벗어났으므로 ptr은 이제 Dangling pointer입니다.
}
4. 이중 해제
이미 해제된 메모리를 다시 해제하려고 할 때, 다른 포인터가 그 메모리를 참조하고 있을 경우 Dangling pointer가 될 수 있습니다.
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int *ptr1 = new int(10);
int *ptr2 = ptr1; // ptr2는 ptr1과 같은 주소를 가리킵니다.
delete ptr1;
delete ptr2; // ptr2는 이제 dangling pointer입니다.
실제 한 함수 내에서 같은 메모리의 주소를 두 번 참조하는 경우는 드물지만, 서로 다른 함수에서 같은 메모리 주소를 참조할 수 있으므로, 이 경우도 드물지 않게 발생하기도 합니다.
문제점
- 현재 메모리가 다른 데이터로 채워져 있을 수 있습니다.
이 데이터를 임의로 수정하려고 하면 정의되지 않은 동작(undefined behavior)이 발생할 수 있습니다. - 메모리가 다른 프로세스에 재할당 되고, 허상 포인터를 역참조하려고 하면 segmentation faults가 발생할 수 있습니다.
- 프로그램이 시스템 메모리를 잘못 수정하게 되면, 이로 인해 시스템이 불안정해질 수 있습니다.
Segmentation Fault (세그멘테이션 폴트) 란?
Segmentation Fault는 프로세스가 자신에게 할당되지 않은 메모리에 접근하려고 할 때 발생하는 오류입니다.
이는 운영체제가 프로세스의 메모리를 보호하기 위한 메커니즘의 일종으로, Segmentation Fault가 발생하면 프로세스는 즉시 종료됩니다.Segmentation Fault의 주요 발생 상황으로는 다음과 같은 경우가 있습니다.
- Null Pointer Dereferencing:
nullptr또는 초기화되지 않은 포인터를 역참조할 때- Array Index Overflow: 배열의 범위를 벗어나는 인덱스에 접근할 때
- Dangling Pointer: 메모리가 해제된 후에 그 메모리 주소를 계속 참조할 때
- Stack Overflow: 재귀 함수에서 종료 조건이 없거나 스택에 너무 많은 데이터를 할당할 때
예방 방법
다른 언어에서는 가비지 컬렉션을 통해 허상 참조를 방지하고, C++에서는 스마트 포인터와 같은 참조 카운팅 또는 추적을 통해 어떤 객체가 더 이상 참조되지 않는지 확인해야 합니다.
또한, 메모리를 해제한 후에는 관련된 모든 포인터를 nullptr로 설정하는 것이 좋습니다.