지금은 C++11이라고 개명된 C++ 확장 규격인 C++0x에는 잘 알다시피 여러 참신한 프로그래밍 요소들이 추가되었다. 몇 가지 예를 들면, 상당한 타이핑 수고를 덜어 줄 걸로 예상되는 auto 리뉴얼, 숫자와 포인터 사이의 모호성을 해소한 nullptr, 그리고 숫자와 enum 사이의 모호성을 해소한 enum class가 있다.

그런데 이것 말고도 C++11에는 아주 심오하고도 재미있는 개념이 하나 또 추가되었다. 복사 생성자에 이은 이동 생성자, 그리고 이를 지원하기 위한 type modifier인 &&이다. R-value 참조자라고 불린다. 이 글에서는 이것이 왜 도입되었는지를 실질적인 코드를 예를 들면서 설명하겠다.
다음은 생성자에서 주어진 문자열의 복사본을 보관하는 일만 하는 아주 간단한 클래스이다.

//typedef const char*  PCSTR;
class MyObject {
    PCSTR dat;
public:
    MyObject(PCSTR s): dat(strdup(s)) {}
    ~MyObject() { free( const_cast<PSTR>(dat) ); }
    operator PCSTR() const { return dat; }
};

C++은 언어 차원에서 포인터를 자동으로 관리해 주는 게 전혀 없다. 그렇기 때문에 저렇게만 달랑 짜 놓은 클래스는 함부로 값을 대입하거나 함수 호출 때 개체를 reference가 아닌 value로 넘겨 줬다간, 동일 메모리의 다중 해제 때문에 프로그램이 jot망하게 된다. C++ 프로그래머라면 누구라도 위의 코드의 문제를 즉시 알 수 있을 것이다.

그렇기 때문에, 포인터처럼 외부 자원을 따로 가리키는 클래스는 복사 생성자와 대입 연산자를 별도로 구현해 줘야 한다. 구현을 안 할 거면 하다못해 해당 함수들을 빈 껍데기만 private 형태로 정의해서 접근이 되지 않게 해 놓기라도 해야 안전하다.

MyObject(const MyObject& s): dat(strdup(s))
{
    puts("복사 생성자");
}
MyObject& operator=(const MyObject& s)
{
    free(dat); dat=strdup(s.dat); puts("복사 대입");
    return *this;
}

자, 그럼 이를 이용해 그 이름도 유명한 Swap 루틴을 구현해서 복사 생성자와 대입 연산자를 테스트해 보자.

template<typename T>
void Swap(T& a, T& b) { T c(a); a=b; b=c; }

int main()
{
    MyObject a("새마을호"), b("무궁화호");
    printf("%s(%X) %s(%X)\n", (PCSTR)a,(PCSTR)a, (PCSTR)b,(PCSTR)b);
    Swap(a,b);
    printf("%s(%X) %s(%X)\n", (PCSTR)a,(PCSTR)a, (PCSTR)b,(PCSTR)b);
    return 0;
}

프로그램의 실행 결과는 다음과 같은 식으로 나올 것이다.

새마을호(181380) 무궁화호(181390)
복사 생성자
복사 대입
복사 대입
무궁화호(1813B8) 새마을호(1813D0)

복사 생성자와 대입 연산자 덕분에 메모리 관리는 옳게 되었기 때문에, 이제 프로그램이 뻗는다거나 하지는 않는다.
그러나 이 방법은 비효율적인 면모가 있다. 개체의 값을 맞바꾸기 위한 세 번의 연산 작업 동안, 당연한 말이지만 메모리 할당과 해제, 그리고 문자열의 복사가 매번 발생했다. 그래서 비록 문자열 값은 동일하지만 그 문자열이 담긴 메모리 주소는 a와 b 모두 예전과는 완전히 다른 곳으로 바뀌었음을 알 수 있다.

이때 R-value 참조자를 쓰면, 이 클래스에 대해서 Swap 연산이 메모리를 일일이 재할당· 복사· 해제하는 게 아니라 a와 b가 가리키는 문자열 메모리 주소만 간편하게 맞바꾸도록 하는 언어적인 근간을 마련할 수 있다. 기존 참조자는 &로 표현하고, 이와 구분하기 위해 R-value 참조자는 &&로 표현된다. 참조자(&)는 포인터(*)와는 달리 다중 참조자(참조자의 참조자) 같은 개념이 없기 때문에, &&을 이런 식으로 활용해도 문법에 모호성이 생기지 않는다.

& 대신 &&를 이용해서 자신과 동일한 타입의 개체를 받아들이는 생성자와 대입 연산자를 추가로 정의할 수 있다. 이 경우, 이들 함수는 복사가 아닌 이동 생성자와 이동 대입 함수가 된다. 아래의 예를 보라.

MyObject(MyObject&& s)
{
    dat=s.dat, s.dat=NULL; puts("이동 생성자");
}
MyObject& operator=(MyObject&& s)
{
    //주의: 실제 코드라면 자기 자신에다가 대입하는 건 아닌지 체크하는
    //로직이 추가되어야 한다. if(&s!=this)일 때만 수행하도록.
    free(dat); dat=s.dat, s.dat=NULL; puts("이동 대입");
    return *this;
}

복사 버전과는 달리, strdup 함수 대신 그냥 포인터 대입을 썼음을 알 수 있다. 이것이 핵심이다.
그러면 s가 가리키던 메모리 영역이 내 것이 된다. 그 뒤 s가 가리키던 메모리는 NULL로 없애 줘야 한다. free 함수는 그 스펙상 자체적으로 NULL 체크를 하기 때문에, 소멸자 함수는 그대로 놔 둬도 된다.

즉, 이동 생성자와 이동 대입은 s의 값을 내 것으로 설정하긴 하나, 그 과정에서 필요하다면 s의 내부 상태를 건드려서 바꿔 놓을 수 있다. 그렇기 때문에 복사 생성자/대입과는 달리 s가 const 타입이 아니다.

이것만 선언해 줬다고 해서 Swap 함수의 동작 방식이 이동 연산으로 곧장 바뀌는 건 물론 아니다. 그랬다간 s의 상태가 바뀌고 프로그램 로직이 달라져 버리기 때문에, 컴파일러가 섣불리 동작을 바꿀 수 없다. 그렇기 때문에 Swap 함수의 코드도 move-aware하게 살짝 고쳐야 한다.

template<typename T>
void Swap(T& a, T& b)
{
    T c(static_cast<T&&>(a)); a=static_cast<T&&>(b); b=static_cast<T&&>(c);
}

즉, 개체를 생성하고 대입하는 곳에서, 가져오는 개체를 가능한 한 move로 취급하라고 명시적인 형변환을 해 줘야 한다. 이렇게 해 주고 나면 드디어 우리의 목표가 이뤄진다!

새마을호(181380) 무궁화호(181390)
이동 생성자
이동 대입
이동 대입
무궁화호(181390) 새마을호(181380)

물론, 저런 형변환 연산이 보기 싫은 사람은 <vector>에 정의되어 있는 std::move 함수로 이동 대입을 해도 되며, 보통 R-value 참조자를 설명해 놓은 인터넷 사이트들도 그 함수를 곧장 소개하고 있다. 하지만 그 함수의 언어적인 근거가 바로 이 문법이라는 건 알 필요가 있다.

생성이나 대입에서 R-value 참조자를 받지 않고 기존의 L-value 참조자만 받는 클래스에 대해서는, 이동 대입이나 생성도 자동으로 옛날처럼 복사 대입이나 생성 방식으로 행해진다.
다시 말해, Swap 함수의 로직을 저렇게 고치더라도 R-value 참조자가 구현되어 있지 않은 기존 타입들에 대한 동작은 전혀 바뀌지 않으며 컴파일 에러 같은 게 나지도 않는다. 그러니 호환성 걱정은 할 필요가 없다.

그리고 이미 눈치챈 분도 있겠지만, MFC의 CString처럼 자기가 가리키는 메모리에 대해서 자체적으로 reference counting을 하고 copy-on-modify 같은 테크닉을 구현해 놓았기 때문에, 어차피 복사 생성이나 call by value 때 무식한 오버헤드가 발생하지 않는 클래스라면, 구태여 이동 생성자나 이동 대입 연산자를 또 구현할 필요가 없다. 이동 생성/대입은 언제까지나 기존의 복사 생성/대입을 보조하기 위해서 도입되었기 때문이다.

특히 std::vector 같은 배열 컨테이너 클래스에다가 덩치 큰 개체를 집어넣거나 뺄 때 복사 생성자가 쓸데없는 오버헤드를 발생시키는 걸 막는 게 이 문법의 주 목적이다. 그렇기 때문에 딱히 smart한 복사 메커니즘을 갖추고 있지 않은 클래스를 STL 컨테이너에다 집어넣고 쓰는 C++ 코드라면, 적절한 이동 생성자와 대입 연산자를 구현해 주고 R-value 참조자를 지원하는 최신 C++ 컴파일러로 다시 빌드를 하는 것만으로도 성능 향상을 경험할 수 있다.

예전에는 배열 컨테이너 클래스들이 원소들의 일괄 삽입이나 삭제를 위해 무식한 memmove 함수를 내부적으로 쓰는 게 불가피했는데 이 역할을 이동 대입이 어느 정도 대체도 할 수 있게 됐다.
&&을 DLL symbol로 표기하기 위한 새로운 C++ type decoration도 별도로 물론 있다.

그런데 의문이 생긴다. &&의 이름이 왜 R-value 참조자인 것일까?
이 참조자는 참조자이긴 하지만, 오리지널 참조자처럼 L-value가 아니라 R-value를 취급하라고 만들어졌기 때문이다. L-value, R-value란 무엇인가? 대입문에서 좌변과 우변을 뜻한다. L-value란 값을 갖고 있으면서 동시에 대입의 대상이 될 수 있는 변수를 가리키며, R-value는 값을 표현할 수만 있지 그 자신이 다른 값으로 바뀔 수는 없는 상수, 혹은 임시 개체를 가리킨다고 보면 얼추 맞다.

아래의 코드에서 볼 수 있듯 기존 L-value 참조자는 dereference된 포인터와 같은 역할을 한다.

int& GetValue() { … }
GetValue() = 100;

int *GetValue() { … }
*GetValue() = 100;

그렇기 때문에 아래와 같은 특성도 존재한다.

void GetValue2(int& x) { x=… }

int a;
GetValue2(a); //a는 L-value이므로 OK
GetValue2(500); //에러. 당연한 귀결임

L-value 참조자가 상수값 내지 임시 생성 개체 같은 R-value를 함수의 인자로 받아들이려면, 해당 참조자는 const로 선언되어서 값의 변경이 함수 내부에서 발생하지 않는다는 보장이 되어야 한다. int&가 아니라 const int&로 말이다.

그런데 R-value 참조자는 const 속성 없이도 임시 개체나 상수값을 받아들이며, 그걸 뒤끝 없이 자유롭게 고칠 수 있다. 위의 GetValue2 함수가 int&&로 선언되었다면, 반대로 a를 전달한 게 에러가 나고 500을 전달한 건 괜찮다. a를 전달하려면 static_cast<int&&>(a)로 형변환을 해 줘야 한다. 그러면 마치 int&인 것처럼 실행되긴 한다.

R-value 참조자로 돌아온 함수의 리턴값은 말 그대로 R-value이기 때문에 대입 가능하지 않다. 그렇기 때문에 아래의 코드는 에러를 일으킨다. (R-value 참조자의 리턴값은 당연히 그 역시 R-value로 왔을 때에만 의미가 있을 것이다.)

int&& GetValue3() { … }
GetValue3() = 100; //에러

이런 R-value 참조자라는 괴상망측한 개념은 왜 도입된 것일까? 그리고 이게 앞서 이 글에서 언급한 이동 생성자/대입 연산하고는 도대체 무슨 관련이 있는 것일까?

R-value 참조자의 형태로 함수 인자로 넘어온 개체는 그 함수의 실행이 끝난 뒤엔 어차피 소멸되고 없어질 것이기 때문에 내부가 바뀌어도 상관없다. 즉, 이 참조자는 태생적으로 const 속성과는 어울리지 않는다. 오히려 const-ness가 보장되지 않아도 되는 제한적인 문맥에서, 쓸데없는 복사를 할 필요 없이 꼼수를 좀 더 합법적으로 구사할 수 있게 위해 이런 문법이 추가되었다고 보는 게 타당하다.

마지막으로 R-value 참조자가 유용하게 쓰이는 용도를 딱 하나만 더 소개하고 글을 맺겠다.
윈도우 API+MFC 기준으로, RECT 구조체를 받아서 이 값을 적당히 변형한 뒤에 이를 토대로 후처리를 하는 함수를 생각해 보자.

void Foo(const RECT& rc)
{
    RECT rc2 = rc; //rc는 const이기 때문에 복사본을 만들어야 함

    ::OffsetRect(&rc2, x,y); //변형
    ::DrawText(hDC, strMsg, -1, &rc2, 0);
}

void Foo(RECT&& rc)
{
    ::OffsetRect(&rc, x,y); //복사본 만들 필요 없이 rc를 곧바로 고쳐서 사용하면 됨
    ::DrawText(hDC, strMsg, -1, &rc, 0);
}

CRect r(100, 200, 400, 350);
Foo(r); //const RECT& 버전이 호출됨
Foo( CRect(0,0, 400,300) ); //임시 개체임. RECT&& 버전이 호출됨

RECT를 value로 전달했다면 당연히 복사가 일어나고, const reference로 전달했다면 역시 복사가 행해져야 한다. 그러나 애초에 함수에 전달되는 인자가 임시 개체였다면, 임시 개체에 대한 복사본을 또 만들 필요 없이 그냥 그 임시 개체를 바로 고쳐 쓰면 된다. 위의 코드의 의미가 이해가 되시겠는가?

R-value 참조자라는 게 왜 필요한지, 그리고 이게 왜 이동 생성/대입과 관계가 있는지 본인은 이해하는 데 굉장히 긴 시간이 걸렸다. 인터넷에 올라와 있는 다른 설명만 읽어서는 도통 이해가 되지 않아서 직접 코드를 돌리고 컴파일을 해 본 뒤에야 개념을 깨우쳤는데, 알고 나니 정말 이런 걸 생각해 낸 사람들은 천재라는 생각이 든다.;; C++은 참으로 복잡미묘한 언어이다.

Posted by 사무엘

2012/05/16 08:41 2012/05/16 08:41
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  1. Lyn 2012/05/16 11:06 # M/D Reply Permalink

    move constructor 만쉐~

  2. Lyn 2012/05/16 11:08 # M/D Reply Permalink

    레퍼런스->RValue 레퍼런스로 변경해주는 std::move 함수가 추가되었습니다 : )

    1. 사무엘 2012/05/16 15:01 # M/D Permalink

      네, 이동 생성자는 멋진 개념이죠. 그리고 본문에도 그 함수가 언급돼 있습니다. ^^

  3. 아라크넹 2012/05/16 11:55 # M/D Reply Permalink

    r-value reference의 또 다른 중요한 사용 용도는 메소드를 다른 객체의 메소드로 forwarding하는 경우가 있습니다. 사실 맨 마지막 예시의 변형이긴 하네요.

    struct A { void foo(std::string, std::string&); };
    struct B { A a; void foo(std::string, std::string&); };
    void B::foo(std::string arg1, std::string& arg2) { a.foo(arg1, arg2); }

    이 코드의 경우 B::foo는 A::foo로 forwarding하게 되지만 arg1을 옮기는 과정에서 복사 생성자를 거치게 됩니다. 하지만 B::foo를 다음과 같이 고치면:

    void B::foo(std::string&& arg1, std::string& arg2) { a.foo(std::forward<std::string>(arg1), arg2); }

    복사 생성자를 거치지 않게 됩니다. std::forward는 r-value를 받았으면 r-value를 반환하고 l-value를 받았으면 l-value를 반환하는 거 빼면 아무 변화도 주지 않는 identity function입니다.

    다음 문서를 부분적으로 참고했습니다.
    http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2006/n2027.html#Perfect_Forwarding
    http://cpp-next.com/archive/2009/12/onward-forward/

    1. 사무엘 2012/05/16 15:01 # M/D Permalink

      한 문법이 추가되면서 여러 방면의 문제를 한꺼번에 해결할 수 있죠(마치 팔방미인이 된 auto처럼). R-value 참조자도 그런 개념인 것 같습니다.

  4. Lyn 2012/05/16 15:34 # M/D Reply Permalink

    점점 코드가 암호화되어가고있습니다 ㅡㅜ

    이제 대입버그도 두군데서 나오겠군요

  5. 김 기윤 2012/05/16 19:59 # M/D Reply Permalink

    C++11 스펙에서 봤던 것이긴 한데, 제대로 이해는 못 했었고, 지금도 제대로 이해를 못 했습니다(.....) 단지 좋은거다~ 라는 정도만 이해하고 있을 뿐.. orz..

    1. 사무엘 2012/05/17 10:28 # M/D Permalink

      요즘 스마트폰 때문에 뭐든지 '스마트'해졌다고 그러는데, R-value 참조자는 C++ 언어의 디자인과 C++ 라이브러리의 동작을 좀더 '스마트'하게 개선하는 효과가 있는 듯합니다. ^^
      물론 C++은 처음 접하는 사람에게는 갈수록 더 배우기 어려운 복잡한 언어가 돼 가고 있죠.

    2. Lyn 2012/05/17 11:22 # M/D Permalink

      한번쓰고 버릴 데이터를 대입할때 복사가 일어나지 않도록 한다!

      라는것만 이해하면 나머진 쉽더라구요.
      물론 전 사무엘님보다 능력이 딸려서 거의 1주일을 문서 들여다보고 고민 ㅜㅜ

    3. 김 기윤 2012/05/17 18:29 # M/D Permalink

      오히려 람다가 훨씬 쉬워요 orz..

  6. 주의사신 2012/05/17 17:12 # M/D Reply Permalink

    졸업 작품 만들 적에 VC++ 10에 추가된 C++11을 많이 사용했는데, 안 그래도 어려운 C++이 더 어려워지는 느낌을 조금 받기는 했습니다.

    1. 사무엘 2012/05/18 10:58 # M/D Permalink

      “나의 C++은 이런 언어가 아니라능!!” 하는 생각이 들죠. ㄲㄲㄲㄲㄲㄲ

      static 멤버는 선언뿐만 아니라 정의도 밖에서 반드시 해 줘야 하게 바뀜 (1980년대 말)
      템플릿 추가 (1990년대 초중반)
      bool, namespace, typename, explicit, *_cast 등 추가 (1990년대 중반)
      iostream.h에서 .h가 빠지고, C++ 라이브러리들도 std namespace로 이동 (1990년대 중후반)
      export 흑역사
      C++11 (2011년)

      흠, 이런 역사에 대해서 정리해도 글 한편이 될 것 같네요.

  7. 김재호 2012/05/22 00:45 # M/D Reply Permalink

    저는 아라크넹님이 설명한 Perfect forwarding 에서 Perfect라는 단어가 잘 그려지지 않습니다. 마치 영어 시제에서 현재 완료를 말할 때 쓰는 Present Perfect 라는 단어를 접할 때의 맹한 느낌이랄까요.

    그나저나 정리를 잘하셔서 글을 아주 잘 쓰셨네요. 긴 글인데도 참 재밌게 읽었습니다.

    1. 사무엘 2012/05/22 13:37 # M/D Permalink

      재미 있게 읽어 주셔서 고맙습니다. 글 내용이 잘 전달이 됐다니 다행이고요. ^^
      저는 정보력이 아라크넹 님 만하지는 못하지만, 제가 확실하게 아는 내용은 최대한 남이 알기도 쉽게 풀이해서 글로 만들려고 늘 노력합니다.
      또 얼마 후엔 C++11 관련 글이 올라올 겁니다.

  8. Lyn 2012/05/23 13:42 # M/D Reply Permalink

    다음 표준은 가칭이 C++1y라네요 (이번에도 16진수냐?!)

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