[rust] 4. 소유권 이해하기

About_work·2024년 6월 16일

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소유권은 러스트가 가비지 컬렉터 없이 메모리 안정성을 보장하도록 해줌

1. 소유권이 뭔가요?

소유권: 러스트 프로그램의 메모리 관리법을 지배하는 규칙 모음
몇몇 언어는
- 가비지 컬렉션으로 프로그램에서 더 이상 사용하지 않는 메모리를 정기적으로 찾는 방식을 채택했고,
- 다른 언어는 프로그래머가 직접 명시적으로 메모리를 할당하고 해제하는 방식을 채택
rust는 제 3의 방식
- 소유권 (ownership) 이라는 시스템을 만들고,
- 컴파일러가 컴파일 중에 검사할 여러 규칙을 정해 메모리를 관리하는 방식
- 이 규칙 중 하나라도 위반하면 프로그램은 컴파일되지 않습니다.

1.1. stack and heap

1.1.1. stack

last in, first out (마지막에 들어온게, 먼저 제거)
push /pop
스택에 저장되는 데이터는 모두 명확하고 크기가 정해져 있어야 함
컴파일 타임에 크기를 알 수 없거나, 크기가 변경될 수 있는 데이터는 힙에 저장되어야 함
스택 영역은 데이터에 접근하는 방식상 힙 영역보다 속도가 빠릅니다.
여러분이 함수를 호출하면,
- 호출한 함수에 넘겨준 값(값 중엔 힙 영역의 데이터를 가리키는 포인터도 있을 수 있습니다)과
- 해당 함수의 지역 변수들이 스택에 푸시
- 그리고 이 데이터들은 함수가 종료될 때 팝

1.1.2. heap

소유권의 주 목표: heap 데이터의 관리
데이터를 힙에 넣을 때 먼저 저장할 공간이 있는지 운영체제에 물어봅니다.
그러면 메모리 할당자는 커다란 힙 영역 안에서 어떤 빈 지점을 찾고, 이 지점은 사용 중이라고 표시한 뒤 해당 지점을 가리키는 포인터 (pointer) 를 우리한테 반환
- allocating (on the heap)이라 부름
- stack에 값을 push: NOT allocating
- 포인터는 크기가 정해져 있어 스택에 저장할 수 있으나, 포인터가 가리키는 실제 데이터를 사용하고자 할 때는 포인터를 참조해 해당 포인터가 가리키는 위치로 이동하는 과정을 거쳐야 합니다.
힙 구조는 레스토랑에서 자리에 앉는 과정으로 비교할 수 있습니다.
- 레스토랑에 입장하면, 직원에게 인원수를 알립니다.
- 그러면 직원은 인원수에 맞는 빈 테이블을 찾아 안내하겠죠.
- 이후에 온 일행이 우리 테이블을 찾을 땐 직원에게 물어 안내받을 겁니다.
힙 영역은 포인터가 가리키는 곳을 찾아가는 과정으로 인해 느려집니다.
힙 영역처럼 데이터가 서로 멀리 떨어져 있으면 작업이 느려지고, 반대로 스택 영역처럼 데이터가 서로 붙어 있으면 작업이 빨라집니다.

1.2. 소유권 규칙

각각의 값은 소유자 (owner) only 1명 가 정해져 있습니다.
소유자가 스코프 밖으로 벗어날 때, 값은 버려집니다 (dropped).

1.3. 변수와 스코프

스코프란, 프로그램 내에서 아이템이 유효한 범위

    {                      // s는 아직 선언되지 않아서 여기서는 유효하지 않습니다
        let s = "hello";   // 이 지점부터 s가 유효합니다

        // s로 어떤 작업을 합니다
    }                      // 이 스코프가 종료되었고, s가 더 이상 유효하지 않습니다

s는 문자열 리터럴 (string literal)
이 변수는 선언된 시점부터 현재의 스코프를 벗어날 때까지 유효

1.4. string type

여태 보아온 문자열은 코드 내에 하드코딩하는 방식의 문자열 리터럴
문자열 리터럴은 쓰기 편리하지만, 만능은 아닙니다.
그 이유는 문자열 리터럴이 불변성 (immutable) 을 지니기에 변경할 수 없다는 점과, 프로그램에 필요한 모든 문자열을 우리가 프로그래밍하는 시점에 알 수는 없다는 점 때문
사용자한테 문자열을 입력받아 저장하는 기능 등을 만들어야 하는 상황에서는 문자열 리터럴을 사용할 수 없죠.
따라서 러스트는 또 다른 문자열 타입인 String을 제공
- 이 타입은 힙에 할당된 데이터를 다루기 때문에, 컴파일 타임에 크기를 알 수 없는 텍스트도 저장할 수 있음
String 타입은 다음과 같이 from 함수와 문자열 리터럴을 이용해 생성 가능
- 이중 콜론 :: -> String 타입에 있는 특정된 from 함수라는 것을 지정할 수 있게 해주는 네임스페이스 연산자
- 변경이 가능

    let mut s = String::from("hello");

    s.push_str(", world!"); // push_str()이 문자열에 리터럴을 추가합니다

    println!("{}", s); // 이 줄이 `hello, world!`를 출력합니다

1.5. 메모리와 할당

문자열 리터럴은 컴파일 타임에 내용을 알 수 있으므로, 텍스트가 최종 실행파일에 하드코딩
- 이 방식은 빠르고 효율적이지만, 문자열이 변하지 않을 경우에만 사용 가능
컴파일 타임에 크기를 알 수 없고 실행 중 크기가 변할 수도 있는 텍스트는 바이너리 파일에 집어넣을 수 없죠.
String 타입은 힙에 메모리를 할당하는 방식을 사용하기 때문에 텍스트 내용 및 크기를 변경 가능
- 실행 중 메모리 할당자로부터 메모리를 요청해야 합니다.
  - String::from 호출 시, 필요한 만큼 메모리를 요청하도록 구현되어 있음
- String 사용을 마쳤을 때 메모리를 해제할 (즉, 할당자에게 메모리를 반납할) 방법이 필요
GC가 없는 대부분의 언어에서는 할당받은 메모리가 필요 없어지는 지점을 프로그래머가 직접 찾아 메모리 해제 코드를 작성해야 합니다.
- 러스트에서는 변수가 자신이 소속된 스코프를 벗어나는 순간 자동으로 메모리를 해제하는 방식으로 해결
- 러스트는 변수가 스코프 밖으로 벗어나면 drop이라는 특별한 함수를 호출
- 이 함수는 해당 타입을 개발한 개발자가 직접 메모리 해제 코드를 작성해 넣을 수 있게 되어있으며, 위의 경우 String 개발자가 작성한 메모리 해제 코드가 실행되겠죠.
- drop은 닫힌 중괄호 }가 나타나는 지점에서 자동으로 호출됩니다.

1.6. 변수와 데이터 간 상호작용 방식: 이동

    let x = 5;
    let y = x;

    let s1 = String::from("hello");
    let s2 = s1;

길이: String의 내용이 현재 사용하고 있는 메모리를 Byte 단위로 나타낸 것
용량: 메모리 할당자가 String에 할당한 메모리의 양을 뜻 (더 큰 범위??)
메모리 안정성을 보장하기 위해서, 러스트는 let s2 = s1; 라인 뒤로는 s1이 더 이상 유효하지 않다고 판단합니다.
이로써 러스트는 s1이 스코프를 벗어나더라도 아무것도 해제할 필요가 없어집니다. s2가 만들어진 이후에 s1을 사용하는 경우 어떤 일이 생기는지 확인해 보면, 작동하지 않음을 알 수 있습니다:
러스트에서는 기존의 변수를 무효화하기 때문에 이를 얕은 복사가 아닌 이동 (move) 이라 하고, 앞선 코드는 s1이 s2로 이동되었다라고 표현합니다.
러스트는 절대 자동으로 ‘깊은’ 복사로 데이터를 복사하는 일이 없습니다.

1.7. 변수와 데이터 간 상호작용 방식: 클론

tring의 힙 데이터까지 깊이 복사하고 싶을 땐 clone이라는 공용 메서드를 사용할 수 있음
clone은 해당 위치에서 무언가 다른 일이 수행될 것을 알려주는 시각적인 표시이기도 합니다.

    let s1 = String::from("hello");
    let s2 = s1.clone();

    println!("s1 = {}, s2 = {}", s1, s2);

1.8. 스택에만 저장되는 데이터: 복사

    let x = 5;
    let y = x;

    println!("x = {}, y = {}", x, y);

clone() 메서드가 필요 없음
- 이유: copy trait가 있어서!
clone을 호출하지도 않았는데 x는 계속해서 유효하며 y로 이동되지도 않았습니다.
정수형 등 컴파일 타임에 크기가 고정되는 타입은 모두 스택에 저장되기 때문
스택에 저장되니, 복사본을 빠르게 만들 수 있고, 따라서 굳이 y를 생성하고 나면 x를 무효화할 필요가 없습니다.
다시 말해 이런 경우엔 깊은 복사와 얕은 복사 간에 차이가 없습니다.
여기선 clone을 호출해도 얕은 복사와 차이가 없으니 생략해도 상관없죠.
러스트에는 정수형처럼 스택에 저장되는 타입에 달아 놓을 수 있는 Copy 트레이트가 있습니다 (트레이트는 10장에서 자세히 다룹니다).
- 만약 어떤 타입에 이 Copy 트레이트가 구현되어 있다면, 이 타입의 변수는 사용되어도 이동되지 않고 자명하게 복사되고, 대입 연산 후에도 사용할 수 있죠.
하지만 구현하려는 타입이나, 구현하려는 타입 중 일부분에 Drop 트레이트가 구현된 경우엔 Copy 트레이트를 어노테이션 (annotation) 할 수 없습니다.
- 즉, 스코프 밖으로 벗어났을 때 특정 동작이 요구되는 타입에 Copy 어노테이션을 추가하면 컴파일 에러가 발생합니다.
- drop 트레이트와 copy 트레이트는 동시에 존재 불가능
일반적으로 단순한 스칼라 값의 묶음은 Copy 가능하고, 할당이 필요하거나 리소스의 일종인 경우엔 불가능

모든 정수형 타입 (예: u32)
true, false 값을 갖는 논리 자료형 bool
모든 부동 소수점 타입 (예: f64)
문자 타입 char
Copy 가능한 타입만으로 구성된 튜플 (예를 들어, (i32, i32)는 Copy 가능하지만 (i32, String)은 불가능합니다)

1.9 소유권과 함수

함수로 값을 전달하는 메커니즘은 변수에 값을 대입할 때와 유사
함수에 변수를 전달하면 대입 연산과 마찬가지로 이동이나 복사가 일어나기 때문

fn main() {
    let s = String::from("hello");  // s가 스코프 안으로 들어옵니다

    takes_ownership(s);             // s의 값이 함수로 이동됩니다...
                                    // ... 따라서 여기서는 더 이상 유효하지 않습니다

    let x = 5;                      // x가 스코프 안으로 들어옵니다

    makes_copy(x);                  // x가 함수로 이동될 것입니다만,
                                    // i32는 Copy이므로 앞으로 계속 x를
                                    // 사용해도 좋습니다

} // 여기서 x가 스코프 밖으로 벗어나고 s도 그렇게 됩니다. 그러나 s의 값이 이동되었으므로
  // 별다른 일이 발생하지 않습니다.

fn takes_ownership(some_string: String) { // some_string이 스코프 안으로 들어옵니다
    println!("{}", some_string);
} // 여기서 some_string이 스코프 밖으로 벗어나고 `drop`이 호출됩니다.
  // 메모리가 해제됩니다.

fn makes_copy(some_integer: i32) { // some_integer가 스코프 안으로 들어옵니다
    println!("{}", some_integer);
} // 여기서 some_integer가 스코프 밖으로 벗어납니다. 별다른 일이 발생하지 않습니다.

러스트는 takes_ownership 함수를 호출한 이후에 s를 사용하려 할 경우, 컴파일 타임 에러를 발생시킵니다.

1.10. 반환 값과 스코프

fn main() {
    let s1 = gives_ownership();         // gives_ownership이 자신의 반환 값을 s1로
                                        // 이동시킵니다

    let s2 = String::from("hello");     // s2가 스코프 안으로 들어옵니다

    let s3 = takes_and_gives_back(s2);  // s2는 takes_and_gives_back로 이동되는데,
                                        // 이 함수 또한 자신의 반환 값을 s3로
                                        // 이동시킵니다
} // 여기서 s3가 스코프 밖으로 벗어나면서 버려집니다. s2는 이동되어서 아무 일도
  // 일어나지 않습니다. s1은 스코프 밖으로 벗어나고 버려집니다.

fn gives_ownership() -> String {             // gives_ownership은 자신의 반환 값을
                                             // 자신의 호출자 함수로 이동시킬
                                             // 것입니다

    let some_string = String::from("yours"); // some_string이 스코프 안으로 들어옵니다

    some_string                              // some_string이 반환되고
                                             // 호출자 함수 쪽으로
                                             // 이동합니다
}

// 이 함수는 String을 취하고 같은 것을 반환합니다
fn takes_and_gives_back(a_string: String) -> String { // a_string이 스코프 안으로
                                                      // 들어옵니다

    a_string  // a_string이 반환되고 호출자 함수 쪽으로 이동합니다
}

힙에 데이터를 갖는 변수가 스코프를 벗어나면, 사전에 해당 데이터가 이동하여 소유권이 다른 변수에 이동되지 않은 이상 drop 에 의해 데이터가 제거됩니다.

2. 참조와 대여

참조: 소유권 이동 X + 값 참조
참조자 (reference) 는 해당 주소에 저장된 데이터에 접근할 수 있도록 해주는 주솟값에 해당하는, 포인터와 같은 것
그 데이터는 다른 어떤 변수가 소유하고 있죠.
포인터와는 달리, 참조자는 살아있는 동안 특정 타입에 대한 유효한 값을 가리킴을 보장해 줌

fn main() {
    let s1 = String::from("hello");

    let len = calculate_length(&s1);

    println!("The length of '{}' is {}.", s1, len);
}

fn calculate_length(s: &String) -> usize {
    s.len()
}

&(앰퍼센트)를 이용한 참조의 반대는 역참조 (dereferencing) 라 합니다. 역참조 기호는 *이며, 8장에서 몇 번 다뤄보고 15장에서 자세한 내용을 배울 예정입니다.

    let s1 = String::from("hello");

    let len = calculate_length(&s1);
    
fn calculate_length(s: &String) -> usize { // s는 String의 참조자입니다
    s.len()
} // 여기서 s가 스코프 밖으로 벗어납니다. 하지만 참조하는 것을 소유하고 있진 않으므로,
  // 버려지지는 않습니다.

값을 소유하지 않으므로, 이 참조자가 가리킨 값은 참조자가 사용되지 않을 때까지 버려지지 않습니다.
s에는 소유권이 없으므로 s가 더 이상 사용되지 않을 때도 이 참조자가 가리킨 값이 버려지지 않습니다.
이처럼 참조자를 만드는 행위를 대여 (borrow) 라고 합니다.
변수가 기본적으로 불변성을 지니듯, 참조자도 마찬가지로 참조하는 것을 수정할 수 없습니다.

1.1. mutable reference

fn main() {
    let mut s = String::from("hello");

    change(&mut s);
}

fn change(some_string: &mut String) {
    some_string.push_str(", world");
}

같은 데이터에 대하여 동시에 여러 가변 참조자의 사용을 막는 이러한 제약은, 값의 변경에 대한 제어가 원활하도록 해 줍니다.
이 제약 덕분에 러스트에서는 컴파일 타임에 데이터 경합 (data race) 을 방지할 수 있습니다.
데이터 경합 (data race) 정의
- 둘 이상의 포인터가 동시에 같은 데이터에 접근
- 포인터 중 하나 이상이 데이터에 쓰기 작업을 시행
- 데이터 접근 동기화 메커니즘이 없음
아래의 경우는 가능

    let mut s = String::from("hello");

    {
        let r1 = &mut s;
    } // 여기서 r1이 스코프 밖으로 벗어나며, 따라서 아무 문제없이 새 참조자를 만들 수 있습니다.

    let r2 = &mut s;

가변 참조자와 불변 참조자를 혼용할 때도 유사한 규칙이 적용됨
어떤 값에 대한 불변 참조자가 있는 동안, 같은 값의 가변 참조자를 만드는 것 또한 불가능
- 불변 참조자를 사용하는 쪽에서는 사용 중 값이 중간에 변경되리라 예상하지 않으니까요.
- 반면 데이터를 읽기만 하는 기능으로는 다른 쪽에서 값을 읽는 기능에 영향을 주지 않으므로, 여러 개의 불변 참조자를 만드는 것은 가능합니다.
참조자는 정의된 지점부터 시작하여 해당 참조자가 마지막으로 사용된 부분까지 유효

    let mut s = String::from("hello");

    let r1 = &s; // 문제없음
    let r2 = &s; // 문제없음
    println!("{} and {}", r1, r2);
    // 이 지점 이후로 변수 r1과 r2는 사용되지 않습니다

    let r3 = &mut s; // 문제없음
    println!("{}", r3);

불변 참조자 r1, r2의 스코프는 자신들이 마지막으로 사용된 println! 이후로 종료
컴파일러는 이 참조자가 어떤 지점 이후로 스코프 끝까지 사용되지 않음을 알 수 있습니다.

1.2. 댕글링 참조

댕글링 포인터 (dangling pointer) 란, 어떤 메모리를 가리키는 포인터가 남아있는 상황에서 일부 메모리를 해제해 버림으로써, 다른 개체가 할당받았을지도 모르는 메모리를 참조하게 된 포인터
하지만 러스트에서는 어떤 데이터의 참조자를 만들면, 해당 참조자가 스코프를 벗어나기 전에 데이터가 먼저 스코프를 벗어나는지 컴파일러에서 확인하여 댕글링 참조가 생성되지 않도록 보장
참조자는 항상 유효해야 합니다.

3. 슬라이스

reference의 다른 종류
슬라이스 (slice) 는 컬렉션 (collection) 을 통째로 참조하는 것이 아닌, 컬렉션의 연속된 일련의 요소를 참조
슬라이스는 참조자의 일종으로서 소유권을 갖지 않습니다.

fn first_word(s: &String) -> usize {
    let bytes = s.as_bytes();

    for (i, &item) in bytes.iter().enumerate() {
        if item == b' ' {
            return i;
        }
    }

    s.len()
}

바이트 배열에 사용할 반복자 (iterator) 를 iter 메서드로 생성
- iter 메서드는 컬렉션의 각 요소를 반환
- enumerate 메서드는 iter의 각 결괏값을 튜플로 감싸 반환
이때 패턴에 &를 사용하는 이유는 iter().enumerate()에서 얻은 요소의 참조자가 필요하기 때문
usize (unsigned integer type)를 반환하고 있는데, 이는 &String의 컨텍스트에서만 의미 있는 숫자일 뿐입니다.
- 바꿔 말하면, String과는 별개의 값이기 때문에 향후에도 유효하다는 보장이 없습니다. (아래 코드 참조)

fn main() {
    let mut s = String::from("hello world");

    let word = first_word(&s); // word는 값 5를 받습니다

    s.clear(); // 이 코드는 String을 비워서 ""으로 만듭니다

    // 여기서 word에는 여전히 5가 들어있지만, 이 5를 의미있게 쓸 수 있는
    // 문자열은 더 이상 없습니다. word는 이제 전혀 유효하지 않습니다!
}

하지만 word에 담긴 값 5를 본래 목적대로 s에서 첫 단어를 추출하는 데 사용할 경우, 버그를 유발할 수도 있습니다. s의 내용물은 변경되었으니까요.
다행히도, 러스트에는 문자열 슬라이스라는 적절한 대안이 존재합니다.

3.1. 문자열 슬라이스 (string slice)

    let s = String::from("hello world");

    let hello = &s[0..5];
    let world = &s[6..11];

[starting_index..ending_index]는 starting_index부터 시작해 ending_index 직전, 즉 ending_index 에서 1을 뺀 위치까지 슬라이스를 생성한다는 의미
슬라이스는 내부적으로 시작 위치, 길이를 데이터 구조에 저장
Note:
- 본 내용은 문자열 슬라이스를 소개할 목적이기에 ASCII 문자만 사용하여 문제가 발생하지 않았지만, UTF-8 문자열 슬라이스 생성 시 인덱스는 반드시 올바른 UTF-8 문자 경계로 지정되어야 합니다.
- 멀티바이트 문자의 중간 부분에 슬라이스를 생성할 경우, 프로그램은 에러와 함께 강제 종료됩니다.
첫 단어의 끝부분 인덱스를 찾은 이후 문자열이 비워지면 찾아낸 인덱스가 쓸모없어지는 문제도 해결
- 이제는 컴파일러가 String을 가리키는 참조자의 유효함을 보증하니까요
대여 규칙 중에서 특정 대상의 불변 참조자가 이미 존재할 경우에는 가변 참조자를 만들 수 없다
clear 함수는 String의 길이를 변경해야 하니 가변 참조자가 필요
println!는 word의 참조자를 사용하므로, 이 불변 참조자는 이 지점까지 계속 활성화되어 있어야 합니다.

3.2. 슬라이스로써의 문자열 리터럴

문자열 리터럴은 바이너리 내에 저장된다
let s = "Hello, world!";
s는 바이너리의 특정 지점을 가리키는 슬라이스입니다. &str 타입이죠. &str은 불변 참조자
&str
- 문자열 슬라이스
- &String을 포함하는 큰 개념
리터럴과 String의 슬라이스를 만들 수 있다는 걸 알고 나면 first_word 함수 정의를 다음과 같이 작성할 수 있습니다:
```
fn first_word(s: &String) -> &str {

fn first_word(s: &str) -> &str {
```
문자열 슬라이스라면 이를 바로 인수로써 전달할 수 있습니다.
String이라면 String의 슬라이스 혹은 String에 대한 참조자를 전달할 수 있습니다.
이러한 유연성은 역참조 강제 변환 (deref coercions) 기능을 이용하는데, 15장의 ‘함수와 메서드를 이용한 암묵적 역참조 강제 변환’절에서 다룰 것입니다.
String에 대한 참조자 대신에, 문자열 슬라이스를 매개변수로 하는 함수를 정의하면, 기능 면에서 손해보지 않으면서 API를 더 일반적이고 유용하게 만들어 줍니다:

3.3. 그 외 슬라이스

let a = [1, 2, 3, 4, 5];

let slice = &a[1..3];

assert_eq!(slice, &[2, 3]);

이 슬라이스는 &[i32] 타입

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새로운 것이 들어오면 이미 있는 것과 충돌을 시도하라.

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rust

1. 소유권이 뭔가요?

1.1. stack and heap

1.1.1. stack

1.1.2. heap

1.2. 소유권 규칙

1.3. 변수와 스코프

1.4. string type

1.5. 메모리와 할당

1.6. 변수와 데이터 간 상호작용 방식: 이동

1.7. 변수와 데이터 간 상호작용 방식: 클론

1.8. 스택에만 저장되는 데이터: 복사

1.9 소유권과 함수

1.10. 반환 값과 스코프

2. 참조와 대여

1.1. mutable reference

1.2. 댕글링 참조

3. 슬라이스

3.1. 문자열 슬라이스 (string slice)

3.2. 슬라이스로써의 문자열 리터럴

3.3. 그 외 슬라이스

[rust] crate / binary crate / library crate

[rust] 5. 구조체로 연관된 데이터를 구조화하기

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