RAII와 스마트 포인터 (Resource Acquisition Is Initialization)

RAII(Resource Acquisition Is Initialization)는 주로 객체 지향 프로그래밍에서 자원을 효과적으로 관리하기 위한 패러다임입니다.

MS Learn에 적혀있는 글을 읽어보면 MS에서는 “개체가 리소스를 소유한다는 원칙을 ‘리소스 획득은 초기화’ 또는 RAII라고도 합니다.” 라고 적혀있는 것을 볼 수 있습니다.

즉, RAII는 객체가 자원을 소유한다는 원칙의 패러다임이고 Resource Acquisition Is Initialization 라는 영어를 해석해보면, 자원의 획득은 초기화 단계에서 이루어진다고 볼 수 있습니다.

그리고 “소유 개체 자체는 스택에 선언됩니다.”라는 말이 있고, “리소스 소유 스택 개체가 scope 나가면 소멸자를 자동으로 호출합니다. 이러한 방식으로 C++의 가비지 수집은 개체 수명과 밀접한 관련이 있으며 결정적입니다. 리소스는 항상 제어할 수 있는 프로그램의 알려진 지점에서 해제됩니다.”라고 하는 말을 정리해 보면, 객체를 스택 Scope (함수)에 선언하면 소멸자를 자동으로 호출하기 때문에 자원의 소멸을 객체의 소멸자에 두는 것으로 객체의 수명과 함께 자동화 시킬 수 있다는 말로 정리할 수 있을 것 같습니다.

MS Learn에서 또 눈여겨 볼 부분이 있습니다.
”C++의 디자인은 개체가 scope 나갈 때 제거되도록 합니다. 즉, 블록이 종료되면 역순으로 파괴됩니다.”
이 부분에서, 스택 블록이 종료되면 스택 영역에 할당된 객체들은 역순으로 파괴된다는 것을 알 수 있습니다.
어떻게 보면 당연한 말이지만, 이는 종속성을 가진 객체들이 올바른 순서로 파괴될 수 있도록 합니다.
더 많은 내용은 “스택 프레임”으로 찾아볼 수 있습니다.

정리

정리하자면 RAII는 객체 지향 프로그래밍에서, 자원의 획득과 소멸을 객체의 수명과 밀접하게 두어 자원의 관리를 자동화하여 메모리 누수를 방지할 수 있는 패러다임입니다.

• 객체가 생성될 때, 자원을 할당합니다.
• 객체가 소멸될 때, 자원을 해제합니다.

RAII는 자원의 생명 주기를 관리해야 할 때 주로 사용하는 패러다임입니다. 즉, 모든 클래스에 적용할 필요도 없고, 자원 관리가 필요한 모든 클래스에서 RAII를 따를 필요는 없습니다.

RAII는 자원의 생명 주기를 객체의 생명 주기와 연관되도록 만들고 싶을 때 사용하면 됩니다.

이런 패러다임과 밀접하게 관련되어 있는 클래스가 바로 스마트 포인터입니다.

RAII와 스마트 포인터

C++의 스마트 포인터는 RAII 패러다임을 따릅니다.

객체의 생성을 스마트 포인터라는 클래스 객체와 수명을 밀접하게 연결시켜 자원의 수명을 자동으로 관리하는 포인터입니다.

unique_ptr이나 shared_ptr은 make_unique()나 make_shared() 함수를 사용하여 객체 생성과 동시에 메모리가 할당되고, 스마트 포인터가 소멸될 때 자동으로 메모리를 해제합니다.

UniquePtr 처럼 만들어보기

실제 클래스 템플릿인 스마트 포인터의 구현은 다르겠지만, RAII 패러다임을 사용해서 스마트 포인터처럼 만들면 다음과 같이 만들어 볼 수 있을 것 같습니다.

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

template <typename T>
class CustomSmartPointer
{
public:
	// 생성자에서 자원을 할당합니다.
	CustomSmartPointer(T* ptr = nullptr) : ptr(ptr)
	{
		cout << *ptr << "번 자원을 할당합니다." << endl;
	}
	// 소멸자에서 자원을 해제합니다.
	~CustomSmartPointer()
	{
		if(ptr != nullptr)
		{
			cout << *ptr << "번 자원을 해제합니다." << endl;
			delete ptr;
		}
	}

	// 복사 생성자와 대입 연산자를 삭제합니다.
	CustomSmartPointer(const CustomSmartPointer&) = delete;
	CustomSmartPointer& operator=(const CustomSmartPointer&) = delete;

	// 이동 생성자와 이동 대입 연산자로 소유권 이전을 정의합니다.
	CustomSmartPointer(CustomSmartPointer&& other)
		: ptr(other.ptr)
	{
		other.ptr = nullptr;
	}
	CustomSmartPointer& operator=(CustomSmartPointer&& other)
	{
		if (this != &other)
		{
			delete ptr;
			ptr = other.ptr;
			other.ptr = nullptr;
		}
		return *this;
	}

	// 포인터처럼 사용할 수 있도록 * 연산자와 -> 연산자를 오버로딩합니다.
	T& operator*() { return *ptr; }
	T* operator->() { return ptr; }

private:
	T* ptr;
};

void test()
{
	CustomSmartPointer<int> p1(new int(1)); // p1이 자원을 할당합니다.
	
	CustomSmartPointer<int> p2(move(p1)); // p2로 소유권을 이전합니다.
	// CustomSmartPointer<int> p3 = p2; // 컴파일 에러! 복사 불가능
	CustomSmartPointer<int> p3(new int(2));

	cout << *p2 << endl; // 포인터처럼 사용.
}

int main()
{
	test();
}

실제로 자원의 해제는 클래스 템플릿의 소멸자에서 정의한 것이 전부입니다.

사용자의 입장에서 보면 자원의 할당에만 신경 쓰고 스택의 소멸자에서 자동으로 자원을 해제 해주고 있는 모습을 볼 수 있습니다.

더불어 함수를 빠져나갈 때, 할당된 순서의 역순으로 해제되는 것도 볼 수 있습니다.

자원의 생성과 소멸

자원의 생성과 소멸은 각각 객체의 생성자와 소멸자에서 해주었습니다.

객체 생성자의 Initializer에서 할당을 받아 저장하고, 소멸자에서 nullptr이 아니라면 자원도 같이 해제해 줍니다.

// 생성자에서 자원을 할당합니다.
CustomSmartPointer(T* ptr = nullptr) : ptr(ptr)
{
	cout << *ptr << "번 자원을 할당합니다." << endl;
}
// 소멸자에서 자원을 해제합니다.
~CustomSmartPointer()
{
	if(ptr != nullptr)
	{
		cout << *ptr << "번 자원을 해제합니다." << endl;
		delete ptr;
	}
}

shared_ptr은 객체의 복사 생성자와 복사 대입 연산자를 열고, 객체에 참조 카운트(reference count)를 두어, 복사될 때 참조 카운트를 증가시키고, 소멸될 때 참조 카운트를 감소시키다가 0이 되면 자원을 해제하도록 만들면 됩니다.

이렇게 만들면 아마 순환 참조 문제도 재현해볼 수 있을 겁니다.

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마무리

이처럼 RAII는 자원을 안전하고 효율적으로 관리할 수 있게 도와주는 중요한 패러다임입니다.

이 패러다임은 객체 지향 프로그래밍에서 객체의 생명 주기와 자원의 생명 주기를 밀접하게 연관시켜, 자원의 할당 및 해제를 자동화 해줄 수 있습니다.

이로인해 사용자 입장에서는 자원 관리를 단순하게 할 수 있고, 메모리 누수와 같은 문제를 예방하면서 코드의 안정성을 높일 수 있습니다.

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참고

스마트 포인터 (unique_ptr, shared_ptr, weak_ptr, auto_ptr)