#23 스마트 포인터와 Box<T>

Pt J·2020년 9월 11일

Rust language study

[完] Rust Programming

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이 시리즈는 Rust 공식문서를 통해 공부한 흔적임을 밝힙니다.

C언어와 같은 언어를 공부해봤다면 포인터가 무엇인지 알고 있을 것이다.
포인터는 어떤 자료의 메모리 주소를 저장하는 변수다.
Rust에서는 & 기호를 통해 다른 변수를 참조하여 그 값을 대여한다.

그런데 이런 포인터의 기능을 가지고 있으면서 metadata를 포함하는 녀석들이 있다.
우리는 그 녀석들을 스마트 포인터라고 부른다.

스마트 포인터 Smart Pointer

스마트 포인터는 C++에서 유래된 개념이다.
Rust의 일반 포인터는 자료를 대여하는 것만 가능하지만
스마트 포인터는 그것을 소유할 수 있으며, 대부분 그렇게 작동한다.

스마트 포인터는 여러 가지가 있는데 우리는
표준 라이브러리가 제공하는 보편적인 스마트 포인터 몇 가지만 다루도록 하겠다.
사실 우리가 사용해온 String과 Vec<T>도 스마트 포인터에 포함된다.

스마트 포인터는 주로 구조체를 통해 구현되며
Deref 트레이트와 Drop 트레이트를 구현한다.
Deref 트레이트는 참조와 유관하며 Drop 트레이트는 범위를 벗어났을 때에 대한 처리를 다룬다.
이 녀석들에 대해서는 다음시간에 집중적으로 살펴보도록 하겠다.

heap 메모리를 참조하는 `Box<T>`

Box<T>는 자료를 heap 메모리에 저장한다는 것 외에는 별 다른 특징이 없는 녀석이다.
원래라면 stack 메모리에 저장될 자료형을 Box<T>는 heap 메모리에 저장한다.
다음과 같은 상황에 주로 사용된다.

컴파일 시간에 그 크기를 알 수 없는 자료형을 사용하며 그 자료형의 값의 정확한 크기가 필요할 때
When you have a type whose size can’t be known at compile time and you want to use a value of that type in a context that requires an exact size
큰 자료를 사용하며 그것을 복제하지 않고 소유권을 이전하고자 할 때
When you have a large amount of data and you want to transfer ownership but ensure the data won’t be copied when you do so
특정 자료형의 값이 아니라 특정 트레이트를 구현하는 자료형의 값을 소유하고자 할 때
When you want to own a value and you care only that it’s a type that implements a particular trait rather than being of a specific type

예를 들어, i32 변수를 heap 메모리에 저장하기 위해서는 다음과 같이 작성할 수 있다.

peter@hp-laptop:~/rust-practice$ mkdir chapter15
peter@hp-laptop:~/rust-practice$ cd chapter15
peter@hp-laptop:~/rust-practice/chapter15$ cargo new box_i32
     Created binary (application) `box_i32` package
peter@hp-laptop:~/rust-practice/chapter15$ cd box_i32/
peter@hp-laptop:~/rust-practice/chapter15/box_i32$ vi src/main.rs

src/main.rs

fn main() {
    let b = Box::new(5);

    println!("b = {}", b);
}

peter@hp-laptop:~/rust-practice/chapter15/box_i32$ cargo run
   Compiling box_i32 v0.1.0 (/home/peter/rust-practice/chapter15/box_i32)
    Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.22s
     Running `target/debug/box_i32`
b = 5
peter@hp-laptop:~/rust-practice/chapter15/box_i32$

따로 Box<T>에서 꺼내는 작업 없이 사용할 수 있다.
그리고 소유권을 가진 일반 변수가 그렇듯이 범위를 벗어나면 메모리가 해제된다.
heap 메모리의 자료와 stack 메모리의 포인터 모두 해제된다.

물론 보통은 이렇게 하나의 작은 값을 Box<T>에 저장하지는 않는다.

그렇다면 Box<T>를 사용해야만 하는 경우의 예시를 알아보자.

재귀 자료형 Recursive Type

컴파일 시간에 크기를 알 수 없는 자료형으로 재귀 자료형이 있다.
재귀 자료형은 자기 자신과 같은 자료형의 값을 참조하는 부분을 포함한 자료형이다.
이러한 자료형은 이론적으로 무한히 커질 수 있기 때문에
이를 구현하기 위해서는 Box<T>를 사용하여 구현해야 한다.

보편적인 재귀 자료형으로는 콘스 리스트ConsList; construction list가 있다.
이것은 Lisp와 그 파생 언어에 도입된, 함수형 프로그래밍에서 많이 사용되는 개념이다.
Lisp의 cons 함수는 두 개의 값으로 이루어진 쌍을 만드는데
이와 같이 어떤 값과 다음 자료로 이루어진 쌍의 리스트를 콘스 리스트라고 한다.

마지막 아이템의 두번째 값은 재귀의 base case를 의미하는 NIL을 사용한다.
// NULL과는 다르다!

Rust에서 콘스 리스트를 작성하려면
Cons와 Nil을 열것값으로 하는 List 열거형을 사용해야 한다.
이것은 Rust 라이브러리가 제공해주지 않으며 우리가 직접 생성하여 사용한다.
Cons 열것값은 두 개의 값을 저장하는데
이를 통해 첫번째 값은 리스트에 사용할 자료형을,
두번째 값은 List 열거형을 저장하도록 하는 것이다.
그런데 List 열거형 안에 List 열거형을 그대로 넣으면
Rust 컴파일러는 그 크기가 무한해질 수 있음을 인지하고 컴파일을 거부한다.
이 때 우리가 사용할 수 있는 게 Box<T>다.

peter@hp-laptop:~/rust-practice/chapter15/box_i32$ cd ..
peter@hp-laptop:~/rust-practice/chapter15$ cargo new box_cons_list
     Created binary (application) `box_cons_list` package
peter@hp-laptop:~/rust-practice/chapter15$ cd box_cons_list/
peter@hp-laptop:~/rust-practice/chapter15/box_cons_list$ vi src/main.rs

src/main.rs

enum List {
    Cons(i32, Box<List>),
    Nil,
}

use crate::List::{Cons, Nil};

fn main() {
    let list = Cons(1,
        Box::new(Cons(2,
            Box::new(Cons(3,
                Box::new(Nil)
            ))
      ))
    );
}