C 언어는 다른 언어가 언어 차원에서 기본으로 제공해 주는 상식적인 기능이 없고, 대신 별도의 함수 호출에 의존하는 형태인 게 몇 가지 있다. 거듭제곱 연산이 대표적인 예이고, 문자열 타입도 언어가 자체 제공하지 않는다. 사실은 동적(힙) 메모리를 할당하는 기능 자체가 아예 없다.

그 이유는 간단하다. 저런 기능들은 컴퓨터 CPU 명령 차원에서 직관적으로 구현 가능하지 않기 때문이다. 그래서 연산자가 그렇게도 많다는 C 언어는 거듭제곱 연산자가 없으며 pow라는 함수를 호출해야 한다. (그나마 파스칼은 그런 함수조차도 없기 때문에, exp와 log 함수 조합으로 임의의 수의 거듭제곱을 얻어내야 한다.)

메모리 할당도 마찬가지이다. 메모리 관리는 CPU뿐만이 아니라 해당 운영체제/플랫폼이 담당하는 비중도 크기 때문에, 작은 언어인 C가 언어 차원에서 자체 제공하지는 않는 것이다. malloc, free, realloc 같은 함수를 써야 한다. 그러면 윈도우 운영체제의 C 라이브러리는 내부적으로 또 HeapCreate, HeapAlloc 같은 더 저수준의 윈도우 API를 이용해서 그런 메모리 관리 기능을 구현해 준다.

그런데 C++에서는 드디어 동적 메모리 할당과 해제 기능이 언어 차원에서 연산자로 추가되었다. 바로 new와 delete 연산자이다. 그때까지 영단어로 이루어진 연산자는 sizeof가 고작이던 것이 새로 추가되었으며, 그 후로 *_cast라든가 typeid 등 여러 영단어 연산자가 C++에 추가되었다. 메모리 할당이라면 몰라도 개체의 생성과 소멸에 따른 생성자와 소멸자 함수 호출은 언어 차원에서 책임져 줘야 하는 영역이기 때문에 별도의 연산자가 생긴 것이다.

연산자가 추가된 덕분에 일단 type casting이나 sizeof 계산을 할 필요가 없게 된 것은 좋다.

pData = new DATA[nCount];
pData = (DATA *)malloc(sizeof(DATA)*nCount);

물론 번거로운 문법 정도야 C 시절에도 매크로로 대체 가능했겠지만 말이다.

#define NEW_C(T, N)  (T *)malloc(sizeof(T)*(N))

그러나 new 연산자는 malloc 함수처럼 범용적인 void* 포인터를 되돌리는 건 지원하지 않으며, 해당 타입의 배수가 아닌 크기의 메모리도 할당할 수 없다. 그렇기 때문에 가변 길이 구조체 같은 메모리를 할당하는 건 오히려 더 불편할 수 있다.
또한 할당 아니면 해제만 지원되지 C 함수처럼 realloc 기능도 없다. C++의 메모리 연산자는 오로지 개체의 생성과 소멸에만 초점을 둔 것이다. 그렇기 때문에 이것이 기존 C의 메모리 관리 함수를 완전히 대체하지는 못할 것으로 보인다.

new 연산자로 데이터 타입을 지정한 뒤에는 new DATA[100] 처럼 배열 첨자가 올 수 있고, 아니면 new Object(x, y)처럼 해당 개체의 생성자 함수에다 넘겨 줄 인자가 올 수도 있다. 두 문법 중 오로지 하나만 허용된다.
그러므로 생성될 때 생성자 함수 인자 전달이 필요한 개체는 배열로 만들 수 없다. 그러나 인자가 필요한 생성자 함수가 존재한다 할지라도, 전부 default argument가 있어서 대체가 가능하다면 배열을 만들 수 있다.

1. new operator vs operator new

이 new 연산자(new operator)는 내부적으로 operator new라는 함수를 호출하는 형태로 구현되어 있으며, 이 특수한 함수는 나름 오버로딩이 가능하다! (delete도 마찬가지) 비록 개체를 생성하여 생성자 함수를 호출한다는 기본 기능은 C++의 특성상 불변이지만, 이 연산자가 하는 일 중 메모리를 할당하고 해제하는 계층은 customize가 된다는 뜻이다.

void *operator new(size_t size);
void operator delete(void *ptr);

operator new 함수는 첫째 인자는 무조건 포인터 크기와 같은 부호 없는 정수형이어야 한다. 부호 있는 정수형도 허용되지 않는다. 그리고 리턴값은 void *이어야 한다.
한편 delete 함수는 첫째 인자는 무조건 void *이어야 하고, 함수의 리턴값은 void여야 한다. 일단 기본적인 생김새는 malloc, free와 완전히 일치한다는 뜻.

당연한 말이지만 이 함수만 단독 호출이 가능하다.
malloc(100)을 쓸 곳에 그냥 operator new(100) 이라고만 써도 된다. 그러면 어차피 new char[100]과 비슷한 효과가 나게 된다. C++ 언어는 이 함수들의 기본 구현을 라이브러리 차원에서 제공하고 있다. 만약 기본 C/C++ 라이브러리를 사용하지 않으면서 new/delete 연산자도 쓰고 싶다면 내가 직접 이들 함수를 구현해 줘야 한다.

거기에다 나만의 인자를 추가한 operator new/delete를 만들 수 있다. 예를 들어, C/C++ 라이브러리가 사용하는 프로세스 기본 힙이 아닌 다른 곳에다가 메모리를 할당하고 싶다면 이렇게 코드를 써 주면 된다.

void *operator new(size_t size, HANDLE hHeap)
{ return HeapAlloc(hHeap, 0, size); }

HANDLE hMyHeap = HeapCreate( ... );
Object *pt = new(hMyHeap) Object( ... );

new 바로 옆에다가 전달해 주는 인자는 operator new의 둘째 이후의 인자로 전달된다. delete도 비슷한 방식으로 오버로딩 가능하다. 놀랍지 않은지?

모든 개체과 기본 자료형에서 통용되는 global scope의 operator new/delete가 있는 반면, 특정 클래스에서만 통용되는 new/delete 함수를 만들 수도 있다. 함수 프로토타입은 동일하다. 이 new/delete 함수는 굳이 static을 지정해 주지 않더라도 언제나 static으로만 선언되기 때문에, 클래스 내부에 있더라도 가상 함수 지정이나 this 포인터는 지원되지 않는다. 또한 생성자· 소멸자· 대입 연산자 등과는 달리, 파생 클래스로 상속도 된다.

2. new operator vs new[] operator

그런데, 더욱 충공깽한 사실은 new와 new[] (delete도 delete[])가 구분되어 있다는 것. 이런 구분이 언제 필요하냐 하면 소멸자 함수가 존재하는 개체의 배열을 선언할 때이다. (물론 기본 자료형이 아니라 개체를 배열로 만드는 경우는 드물지만 말이다.)
우리가 요청하는 메모리의 크기와 실제로 운영체제로부터 할당되는 메모리의 크기는 여러 가지 요인으로 인해 일치하지 않는 경우가 있으며 후자가 전자보다 대체로 더 크게 잡힌다.

배열을 delete로 해제할 때는 여기에 있던 배열 각 원소들에 대해서도 소멸자 함수를 일일이 호출해 줘야 하는데, 원래 여기에 개체가 정확하게 몇 개 있었는지를 메모리 블록만 봐서는 알 수 없게 되는 것이다.
그래서 1980년대에 C++이 처음 등장했을 때는 delete 연산자에다가 배열의 개수까지 지정을 해 줘야 했다.

int *arr = new int[nCount];
Object *ptr = new Object[nCount];
(....)
delete arr; //기본 자료형은 그냥 이렇게 지워도 무방
delete[nCount] ptr; //이놈은 흠좀무

C++은 그렇잖아도 garbage collector도 없어서 불편해 죽겠는데 배열의 원소 개수까지 프로그래머가 관리해야 한다니, 이게 말이나 되는 소리인가?

프로그래머의 원성이 빗발친 덕분에 시스템이 바뀌었다. 배열의 원소 개수는 C++이 메모리를 할당하면서 내부적으로 알아서 관리하도록 바뀌고 원소 개수를 생략 가능해졌다. 그러나 그래도 이게 배열이라는 힌트는 알아서 줘야 한다. 배열일 때와 그렇지 않을 때 C++이 메모리를 관리하고 인식하는 방식은 여전히 서로 약간 다르기 때문이다.

delete arr; delete[] ptr; 를 해도 괜찮다는 소리이지 delete arr; delete ptr; 처럼 구분이 완전히 사라진 건 아니다.

그래서 operator new/delete를 오버로드했다면 operator new[]/delete[]의 오버로드도 지원된다. 둘은 인자의 의미나 하는 일의 차이는 전혀 없다. 단지 new[]의 경우, 연산자의 리턴값 포인터에다가 곧바로 개체가 저장되지는 않는다는 차이가 존재할 뿐이다. 배열 원소 개수가 앞부분에 먼저 저장되고 그 뒤의 공간부터가 쓰인다.

자바와 C#에서 볼 수 있듯, 요즘 대세는 개체는 무조건 new로 선언하는 것이다. 그게 언어 문법까지 더 명료하게 만들어 주는 효과까지 있다. 그러나 C++은 기본 자료형이든 개체든 스택과 힙에 모두 선언 가능하고, 심지어 함수 전달도 둘 다 call by name이나 reference 방식이 모두 가능하다.

일반적으로 컴파일러들은 C++의 operator new/delete도 내부적으로는 C의 malloc/free로 구현한다. 기능이 완전히 동일한데 둘의 동작 방식이 달라야 할 이유가 전혀 없기 때문이다. 그러나 원칙대로라면 malloc으로 할당한 포인터를 delete로 해제한다거나, new로 할당한 메모리를 free로 해제하는 것은 허용되지 않는 비추 행동이다. 그렇게 섞어 쓰지는 않는 게 좋겠다.

Posted by 사무엘

2010/07/28 08:27 2010/07/28 08:27
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  1. 삼각형 2010/07/28 14:17 # M/D Reply Permalink

    new와 malloc에 관계에 대해 생각해 본 일이 없었는데 그런거군요. C와 C++은 다른 언어라고 생각하고 보는지라.

    new/delete, malloc/free를 섞어 사용해도 작동하는군요.

    마지막 문단에
    new로 할당한 메모리를 delete로 해제...
    에서 delete가 아니라, free아닌가요?

    1. 사무엘 2010/07/28 21:27 # M/D Permalink

      예. 어차피 메모리 할당하고 해제하는 건 똑같고, C++ 라이브러리는 C 라이브러리에 의존성이 있는 형태이니까요.
      그리고 free가 맞습니다. 저의 실수군요. ^^ 고쳤습니다.

  2. 김재주 2010/07/29 01:06 # M/D Reply Permalink

    섞어 쓰면 문제가 될 가능성이 꽤 크죠. 일단 생성자와 소멸자라는 C++ 객체 시스템의 근간을 뒤흔드는 짓이니까요. 어리석은 행동이 될 가능성이 매우 높습니다.

    1. 사무엘 2010/07/29 15:18 # M/D Permalink

      생성자/소멸자나 가상 함수가 있는 개체를 malloc/free질 하는 건 당연히 있을 수 없는 일이고요.
      순수하게 메모리 할당/해제만 하면 되는 기본 자료형이나 구조체만으로 한정해도 C 방식과 C++ 방식의 혼용은 비추라는 것입니다. ^^

  3. 김기윤 2011/01/20 14:16 # M/D Reply Permalink

    디버깅할때 new 문장 에서 step into 하면 들어가는 void *__CRTDECL operator new(size_t size) _THROW1(_STD bad_alloc) 이 그거군요!

    평소에는 제대로 쳐다보지도 않았는데, 자세히 보니 malloc 사용된게 보이네요!

    그런데, delete 에서는 free가 사용되었다는 예측은 가지만, step into 해도 따로 함수로 들어가지는 않네요.

    1. 사무엘 2011/01/20 17:47 # M/D Permalink

      아무래도 delete 연산자에 대해 step in을 하면, 해당 개체의 소멸자 함수로 들어가지, operator delete 안으로 들어가는 건 딱히 못 본 것 같습니다. 그래도 heap 쪽에서 에러가 나면, 디버거가 operator delete 안에서 멈춰섰다고 안내는 잘 해 줍니다. ^^

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