1. C++의 new/delete 연산자

C++의 new와 delete 연산자에 대해서는 먼 옛날에 한번 글을 쓴 적이 있고,  연산자 오버로딩에 대해서 글을 쓸 때도 다룬 적이 있다.
new/delete 연산자는 메모리를 할당하고 해제하는 부분만 따로 떼어내서 operator new / opertor delete라는 함수를 내부적으로 호출하는 형태이며, 이건 클래스별로 오버로딩도 가능하다. 그리고 객체 하나에 대해서만 소멸자를 호출하는 일명 스칼라 new/delete와, 메모리 내부에 객체가 몇 개 있는지를 따로 관리하는 벡터 new[]/delete[]가 구분되어 있다는 점이 흥미롭다.

new는 메모리 할당이 실패할 경우 한 1990년대까지는 NULL을 되돌렸지만 요즘은 예외를 되돌리는 게 malloc과는 다른 점이라고 한다. 하긴, 요즘 세상에 메모리 할당 결과를 무슨 파일 열기처럼 일일이 NULL 체크하는 건 굉장히 남사스럽긴 하다.

1980년대의 완전 초창기, 한 터보 C++ 1.0 시절에는 벡터 delete의 경우, 원소 개수를 수동으로 써 주기까지 해야 했다고 한다. pt = new X[3] 다음에는 delete[3] pt처럼. 안 그래도 가비지 컬렉터도 없는데, 이건 너무 불편한 정도를 넘어 객체지향 언어의 기본적인 본분(?)조차 안 갖춰진 막장 행태로 여겨진지라 곧 시정됐다. 객체의 개수 정도는 언어 차원에서 메모리 내부에다 자동으로 관리하도록 말이다.

그런데 스칼라이건 벡터이건 메모리를 n바이트 할당하거나 해제하는 동작 자체는 서로 아무 차이가 없는데 operator new/delete와 operator new[]/delete[]가 따로 존재하는 이유는 난 여전히 잘 모르겠다.

new char[100]을 하면 operator new(100)이 호출되고, 생성자와 소멸자가 있는 new TwentyFour_byte_object[4]를 호출하면 x86 기준으로 24*4+4인 operator new[](100)이 호출된다.
operator new[]라고 해서 딱히 내가 할당해 준 메모리에 저장되는 객체의 개수나 크기를 알 수 있는 것도 아니다. 단지, new[]의 경우 내가 되돌려 준 메모리 바로 그 지점에 객체가 바로 저장되지는 않는다는 차이가 존재할 뿐이다. 맨 앞에는 오브젝트의 개수 4가 저장되기 때문.

즉 다시 말해 벡터 new[]는 operator new[]가 되돌린 포인터 값과, new operator[]를 호출한 호스트 쪽에서 받는 포인터 값에 미묘하게 차이가 생기며 서로 일치하지 않게 된다. 마치 다중 상속으로 인해서 this 포인터가 보정되는 것처럼 말이다.
그래도 스칼라/벡터 처리는 operator new/delete가 전혀 신경 쓸 필요가 없는 영역이며, 여전히 new/delete operator가 자동으로 하는 일일 뿐인데 그것 때문에 메모리 할당 계층 자체가 둘로 구분되어야 할 필요가 있는지는 여전히 개인적으로 의문이다.

그리고 하나 더.
operator new/delete는 오버로딩이 가능하다고 아까 얘기했었다.
global scope에서 오버로딩을 해서 오브젝트 전체의 메모리 할당 방식을 바꿀 수 있으며, new의 경우 추가적인 인자를 집어넣어서 placement new 같은 걸 만들 수도 있다. "메모리 할당에 대한 답은 정해져 있으니 너는 저 자리에다가 생성자만 호출해 주면 된다"처럼.. (근데 new와는 달리 delete는 왜 그게 가능하지 않은지 모르겠다만..)

global scope의 경우, Visual C++에서는 operator new/delete 하나만 오버로딩을 해도 new[], delete[] 같은 배열 선언까지도 메모리 할당과 해제는 저 new/delete 함수로 자동으로 넘어간다. 물론 new[]/delete[]까지 오버로딩을 하면 스칼라와 벡터의 메모리 요청 방식이 제각기 따로 놀게 된다.

그러나 클래스는 operator new/delete 하나만 오버로딩을 하면 그 개체의 배열에 대한 할당과 해제는 그 함수로 가지 않고 global 차원의 operator new[]/delete[]로 넘어간다.
이것도 표준에 규정된 동작 방식인지는 잘 모르겠다. 결정적으로 xcode에서는 global도 클래스일 때와 동일하게 동작하여 스칼라와 벡터 사이의 유도리가 동작하지 않았다.
메모리 할당이라는 기본적인 주제를 갖고도 C++은 내부 사연이 무척 복잡하다는 걸 알 수 있다.

2. trigraph

아래와 같은 코드는 보기와는 달리 컴파일되는 올바른 C/C++ 코드이다. 그리고 Foo()를 호출하면 화면에는 What| 이라는 문자열이 찍힌다.

void Foo()
??<
    printf( "What??!\n" );
??>

그 이유는 C/C++엔 trigraph라는 문자열 치환 규칙이 '일단' 표준으로 정의돼 있기 때문이다.
아스키 코드에서 Z 뒤에 나오는 4개의 글자 [ \ ] ^ 와, z 뒤에 나오는 4개의 글자 { | } ~, 그리고 #까지 총 9개의 글자는 ?? 로 시작하는 탈출문자를 통해 등가로 입력 가능하다.
이런 치환은 전처리기 차원에서 수행되는데, #define 매크로 치환과는 달리 일반 영역과 문자열 리터럴 안을 가리지 않고 무조건 수행된다. 그래서 문자열 리터럴 안에서 연속된 ?? 자체를 표현하려면 일부 ?를 \? 로 구분해 줘야 한다.

이런 게 들어간 이유엔 물론 까마득히 먼 역사적인 배경이 있다. 천공 카드던가 뭐던가, 저 문자를 한 글자 형태로 입력할 수 없는 프로그래밍 환경에서도 C언어를 지원하게 하기 위해서이다. 1950~70년대 컴퓨팅 환경을 겪은 적이 없는 본인 같은 사람으로서는 전혀 이해할 수 없는 환경이지만 말이다.
C(와 이거 호환성을 계승한 C++도)는 그만치 오래 된 옛날 레거시 언어인 것이다. 그리고 C는 그렇게도 암호 같은 기호 연산자들을 많이 제공하는 언어이지만 $ @처럼 전혀 사용하지 않는 문자도 여전히 있다.

오늘날 PC 기반 프로그래밍 환경에서 저런 trigraph는 전혀 필요 없어진 지 오래다. 그래서 Visual C++도 2008까지는 저걸 기본 지원했지만 2010부터는 '기본 지원하지는 않게' 바뀌었다. 이제 저 코드는 기본 옵션으로는 컴파일되지 않는다. /Zc:trigraphs 옵션을 추가로 지정해 줘야 한다.

C/C++ 코드를 가볍게 구문 분석해서 함수 블록 영역이나 변수 같은 걸 표시하는 IDE 엔진들은 대부분이 trigraph까지 고려해서 만들어지지는 않았다. 그러니 trigraph는 IDE가 사용하는 가벼운 컴파일러들을 교란시키고 혼동시킨다. 한편으로 이 테크닉은 소스 코드를 의도적으로 괴상하게 바꾸는 게 목표인 IOCCC 같은 데서는 오늘날까지 유용하게 쓰인다. 함수 선언을 void foo(a) int a; { } 이렇게 하는 게 옛날 원래의 K&R 스타일이었다고 하는데 그것만큼이나 trigraph도 옛날 유물이다.

차기 C/C++ 표준에서는 trigraph를 제거하자는 의견이 표준 위원회에서 제안되었다. 그런데 여기에 IBM이 적극적인 반대표를 던진 일화는 유명하다. 도대체 얼마나 케케묵은 옛날 코드들에 파묻혀 있으면 '지금은 곤란하다' 상태인지 궁금할 따름이다. 하지만 IBM 혼자서 대세를 거스르는 게 가능할지 역시 의문이다.

3. Visual C++ 2015의 CRT 리팩터링

도스 내지 16비트 시절에는 C/C++ 라이브러리를 DLL로 공유한다는 개념이 딱히 없었던 것 같다. 다음과 같은 이유에서다.

  • 도스의 경우, 근본적으로 DLL이나 덧실행 같은 걸 쉽게 운용할 수 있는 운영체제가 아니며,
  • 메모리 모델이 small부터 large, huge까지 다양하게 존재해서 코드를 한 기준으로 맞추기가 힘들고,
  • 옛날에는 C/C++ 라이브러리가 딱히 공유해야 할 정도로 덩치가 크지 않았음.
  • 예전 글에서 살펴 보았듯이, 16비트 Windows 시절엔 DLL이 각 프로세스마다 자신만의 고유한 기억장소를 갖고 있지도 않았음. 그러니 범시스템적인 DLL을 만드는 게 더욱 까다롭고 열악했다.

모든 프로세스들이 단일 주소 공간에서 돌아가긴 했겠지만, small/tiny 같은 64K 나부랭이 메모리 모델이 아닌 이상, sprintf 하나 호출을 위해서 코드/세그먼트 레지스터 값을 DLL 문맥으로 재설정을 해야 했을 것이고 그게 일종의 썽킹 오버헤드와 별 차이가 없었지 싶다. 마치 콜백 함수를 호출할 때처럼 말이다. 이러느니 그냥 해당 코드를 static link 하고 만다.

그 반면 32비트 운영체제인 Windows NT는 처음부터 CRT DLL을 갖춘 상태로 설계되었고, 그 개념이 Visual C++을 거쳐 Windows 9x에도 전래되었다. 1세대는 crtdll, msvcrt10/20/40이 난립하던 시절이고 2세대는 Visual C++ 4.2부터 6까지 사용되던 msvcrt, 그리고 3세대는 닷넷 이후로 msvcr71부터 msvcr120 (VC++ 2013)이다. 2005와 2008 (msvcr80과 90)은 잠시 매니페스트를 사용하기도 했으나 2010부터는 그 정책이 철회됐다.

그런데 매니페스트를 안 쓰다 보니 Visual C++의 버전이 올라갈 때마다 운영체제의 시스템 디렉터리는 온갖 msvcr??? DLL로 범람하는 폐단이 생겼고, 이에 대한 조치를 취해야 했다. C/C++ 라이브러리라는 게 생각보다 자주 바뀌면서 내부 바이너리 차원에서의 호환성이 종종 깨지곤 했다. 이런 변화는 함수 이름만 달랑 내놓으면 되는 C보다는 C++ 라이브러리 쪽이 더 심했다.

그 결과 Visual C++ 2015와 Windows 10에서는 앞으로 변할 일이 없는 인터페이스 부분과, 내부 바이너리 계층을 따로 분리하여 CRT DLL을 전면 리팩터링을 했다. 본인은 아직 이들 운영체제와 개발툴을 써 보지 않아서 자세한 건 모르겠는데 더 구체적인 내역을 살펴봐야겠다.

사실 C++ 라이브러리는 대부분의 인터페이스가 템플릿 형태이기 때문에 코드들이 전부 해당 바이너리에 static 링크된다. 하지만 그래도 모든 코드가 static인 건 아니다. 메모리 할당 내지 특정 타입에 대한 템플릿 specialization은 여전히 DLL 링크가 가능하다.
C++ 라이브러리가 어떤 식으로 DLL 링크되는지는 마치 함수 타입 decoration 방식만큼이나 그야말로 표준이 없고 구현체마다 제각각인 춘추전국시대의 영역이지 싶다.

4. Windows의 고해상도 DPI 관련 API

요즘이야 컴퓨터 화면의 해상도가 PC와 모바일을 가리지 않고 워낙 높아져서 프로그램의 UI 요소나 각종 아이콘, 그래픽도 크기 조절에 유연하게 대처 가능하게 만드는 게 필수 조건이 됐다. 폰트의 경우 저해상도에 최적화된 힌팅이 필요 없어질 거라는 전망까지 나온 지 오래다.
그러나 태초에 컴퓨터, 특히 IBM 호환 PC라는 건 텍스트 모드만 있다가 그래픽 모드라는 게 나중에 추가됐다. 그것도 그래픽 모드는 320*200이라는 막장급의 낮은 해상도에 4색짜리인 CGA에서 첫 시작을 했다.

시작은 심히 미약했다. 이런 저해상도 저성능 컴퓨터에서는 쑤제 도트 노가다로 최적화된 그래픽이나 비트맵 글꼴이 속도와 메모리 면에서 모두 우월했기 때문에 그게 세상을 평정했다.
그러나 컴퓨터 화면이 커지고 해상도가 크게 올라가면서 단순히 픽셀보다 더 고차원적인 단위를 도입할 필요가 생겼다. 물론 예나 지금이나 메뉴와 아이콘, 프로그램 제목 표시줄의 글자 크기는 제어판에서 간단히 고칠 수 있었지만 영향을 받는 건 오로지 그것뿐. 대화상자 같은 다른 요소들의 크기는 변하지 않았다.

그 고차원적인 단위를 일명 시스템 DPI라고 부른다.
평소에야 이 단위는 언제나 관례적으로 100%로 맞춰져 있었으며, 이게 125나 150% 같은 큰 값으로 맞춰져 있으면 응용 프로그램은 창이나 글자의 크기도 원칙적으로는 이에 비례해서 키워서 출력해야 한다.

대화상자는 픽셀이 아니라 내부적으로 DLU라는 추상적인 단위를 사용해서 컨트롤들을 배치하며 이 단위는 시스템 DPI를 이미 반영하여 산정된다. 하지만 CreateWindowEx를 써서 픽셀 단위로 컨트롤을 수동으로 생성하는 코드들이 이런 시스템 DPI를 고려하지 않고 동작한다면 프로그램의 외형이 많이 이상하게 찍히게 된다.

여기까지가 Windows 95부터 8까지 오랫동안 지속된 프로그래밍 트렌드이다. 시스템 DPI는 단순히 메뉴와 아이콘의 글자 크기와는 달리 운영체제 전체에 끼치는 여파가 매우 크다. 이건 값을 변경하려면 운영체제를 재시작하거나 최소한 모든 프로그램을 종료하고 현 사용자가 로그인을 다시 해야 했다.

시스템 DPI라는 개념 자체에 대한 대비가 안 된 프로그램도 널렸는데, 응용 프로그램들이 시스템 DPI의 실시간 변화에까지 대비하고 있기를 바라는 건 좀 무리였기 때문이다. 시스템 메트릭이 싹 바뀌기 때문에 이미 만들어져 있는 윈도우들이 다 재배치돼야 할 것이고 후유증이 너무 크다.

그런데 지난 Windows 8.1은 이 시스템 DPI에 대해서 또 어마어마한 손질을 가했다.
간단히 결론부터 말하자면 사용자가 재부팅 없이도 DPI를 막 변경할 수 있게 했다. 실행 중에 DPI가 변경되면 WM_DPICHANGED라는 새로운 메시지가 온다. 그리고 응용 프로그램은 자신이 실시간 DPI 변경에 대응 가능한지 여부를 운영체제에 별도의 API 내지 매니페스트 정보를 통해 지정 가능하게 했다.

DPI 변경에 대응 가능하지 않은 레거시 프로그램들은 시스템 DPI가 바뀌었는지 알지도 못하고 virtualize된 샌드박스 속에서 지낸다. DPI가 150%로 바뀌면서 사용자의 화면에 보이는 창 크기가 100에서 150으로 늘었지만, 응용 프로그램은 여전히 자신의 최대 크기가 100인줄로 안다. 그래서 100*100 크기로 그림을 찍으면 그건 운영체제에 의해 1.5배 비트맵 차원에서 크게 확대되어 출력된다.

그 프로그램은 처음부터 시스템이 150% DPI인 것을 알았으면 그에 맞춰 실행되었을 수도 있다. 그러나 실행 중의 DPI 변경까지 예상하지는 못하며, 그런 API가 도입되기 전에 개발되었기 때문에 운영체제가 그래픽 카드의 성능을 활용하여 그런 보정을 해 주는 것이다.
물론 이렇게 확대된 결과는 계단 현상만 뿌옇게 보정된 채 출력되기 때문에 화질이 좋지 못하다. 응용 프로그램이 고해상도 DPI 변화를 인식하여 직접 150*150으로 최적화된 그림을 다시 그리는 게 바람직하다.

그리고 시스템 DPI는 제어판 설정의 변경을 통해서만 바뀌는 게 아니다.
Windows 8.1부터는 모니터별로 시스템 DPI를 다르게 지정할 수 있다. 그래서 100%(96dpi)짜리 모니터에서 돌아가고 있던 프로그램 창을 125%(120dpi)짜리 커다란 모니터로 옮기면 거기서는 동일 프로그램이 그 DPI에 맞춰서 동작해야 한다. 물론 DPI가 바뀌었다는 메시지는 운영체제가 보내 준다.

이렇듯, 응용 프로그램은 처음에는 (1) 고해상도 DPI를 인식할 것만이 요구되었다가 나중에는 (2) 실행 중에 DPI가 변경되는 것에도 대비가 되어야 하는 것으로 요구 조건이 추가되었다.
옛날에는 시스템 전체의 화면 해상도나 색상수를 재부팅 없이 실시간으로 바꾸는 것도 보통일이 아니었는데 이제는 DPI의 변경도 그 범주에 속하게 되었다.

재부팅이 필요하다는 이유 때문에 그런지 Windows Vista는 전무후무하게 DPI의 변경에 마치 시스템의 시각 변경처럼 '관리자 권한' 딱지가 붙어 있기도 했는데 이것도 참 격세지감이다.

Posted by 사무엘

2016/06/02 08:32 2016/06/02 08:32
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  1. Dev 2016/06/03 12:07 # M/D Reply Permalink

    글 잘봤습니다.

    저도 1차원 배열에 대해 delete [] 이런식으로 해야하는지 의문을 가진적이 있어요
    char(1) 나 char(100)나 관리되는 방법에 차이가 없을거라 생각했었는데요ㅋ
    그치면 "1차원배열에 delete 만해도 된다" 라고 확인된바는 없다보니 정석으로 하고있지요 ㅎ
    연속되지 않은 공간에 배열을 할당 할 수도 있다고 하니 delete[] 를 반드시 써야한다고하는 글도 본적은 있습니다.

    오래전에 서진택님이 써놓은 자료를 보면 Borland C++은 DOS에서 new로 메모리 할당시
    할당한 메모리의 size까지 할당해서 앞에 기록하고 바로뒤의 포인터를 리턴한다고 본적이 있네요

    1. 사무엘 2016/06/03 13:22 # M/D Permalink

      delete operator의 형태야 스칼라형과 벡터형이 문법 차원에서 달라야 한다는 점에 저 역시 이의가 없답니다.
      소멸자 함수 호출하는 횟수 때문에 메모리 할당량뿐만 아니라 실제 원소 개수 정보도 필요해져서 저런 차이가 발생한 거지요. 앞부분에다 개수를 따로 저장하는 테크닉 정도는 도스용 Borland C++뿐만 아니라 요즘 컴파일러들도 동일하게 사용합니다.

      그에 반해 생성자 소멸자나 가상함수 따위가 없는 built-in type이야 스칼라/벡터 delete 뭘 쓰나 딱히 유의미한 차이가 없긴 합니다. C/C++은 강타입+정적 스코핑이기 때문에 그 정도 타입 판단은 컴파일 타임 때 가능하니까요.

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