구조체: 작지만 강하다
만약 C#에서 다루려는 데이터가 2D 좌표(x, y)나 색상 값(R, G, B)처럼
아주 작고 단순하다면 어떨까요? 이런 간단한 데이터를 위해
우리는 항상 class라는 거대한 도구를 사용하는 것이 최선일까요? 이럴 때를 위해
C#은 구조체(struct)라는 가볍고 빠른 '값 형식(Value Type)'의 컨테이너를 제공합니다.
구조체는 클래스와 정말 비슷하게 생겼지만, 내부적으로 동작하는 방식이
완전히 달라서 성능에 영향을 줄 수 있는 중요한 개념이에요.
1)값 형식과 참조 형식 비교
구조체를 이해하려면 '값 형식'과 '참조 형식'의 차이를 알고 있어야 합니다.
C#에서 데이터를 다루는 형식은 크게 두 가지로 나뉩니다.
- 참조 형식(Reference Type):
class,interface,array등 - 값 형식(Value Type):
struct,int,bool,enum등
구조체와 클래스의 가장 큰 차이는 "값을 직접 들고 있느냐, 값이 있는 곳을 가리키느냐"입니다.
- 값 형식(구조체): 변수 안에 '데이터의 값'이 들어 있습니다.
- 참조 형식(클래스): 변수 안에 '데이터의 주소'가 저장됩니다.
2)비유: 보물지도와 보석상자
클래스(참조 형식)는 '보물 지도'와 같습니다.
변수에는 실제 데이터가 있는 위치(주소)만 적혀있는 '지도'가 들어있습니다.
실제 데이터(보물)는 힙(Heap)이라는 크고 넓은 메모리 공간 어딘가에 저장됩니다.
지도를 복사해서 친구에게 줘도, 두 지도는 여전히 하나의 똑같은 보물을 가리킵니다.
그래서 친구가 보물을 바꿔치기하면, 내 지도로 찾아가도 바뀐 보물을 보게 됩니다.
구조체(값 형식)는 '작은 보석 상자' 그 자체와 같습니다.
변수 안에 실제 데이터인 '보석'이 들어있습니다. 친구에게 보석 상자를 복사해서 주면,
친구는 완전히 똑같은 내용물을 가진 새로운 상자를 받게 됩니다.
그래서 친구가 자기 상자의 보석을 바꿔도, 내 상자에는 아무런 영향이 없습니다.
3)구조체의 기본 문법
구조체는 struct키워드로 선언하며, 주로 작고 간단한 데이터 값들을
캡슐화하기 위해 사용되는 값 형식(Value Type)입니다.
[문법]
public struct PointStruct
{
// 1. 구조체는 필드와 속성을 가질 수 있습니다.
public int X;
public int Y;
// 2. 구조체는 생성자와 메서드를 가질 수 있습니다.
public PointStruct(int x, int y)
{
X = x;
Y = y;
}
public void Display()
{
Console.WriteLine($"({X}, {Y})");
}
}4)코드로 보는 결정적 차이
클래스(보물 지도)와 구조체(보석 상자)의 차이를 코드로 보면 더욱 명확해집니다.
[코드]
using System;
// 참조 형식 (보물 지도)
public class PointClass
{
public int X;
public int Y;
public PointClass(int x, int y) { X = x; Y = y; }
public void Display() { Console.WriteLine($"({X}, {Y})"); }
}
// 값 형식 (보석 상자)
public struct PointStruct
{
public int X;
public int Y;
public PointStruct(int x, int y) { X = x; Y = y; }
public void Display() { Console.WriteLine($"({X}, {Y})"); }
}
class Program
{
static void Main()
{
// 1. 클래스 (참조 형식)
Console.WriteLine("--- 클래스(참조 형식) 테스트 ---");
PointClass classPoint1 = new PointClass(10, 20);
PointClass classPoint2 = classPoint1; // '보물 지도'를 복사
Console.Write("변경 전 classPoint1: ");
classPoint1.Display();
// 복사본(classPoint2)의 값을 변경합니다.
classPoint2.X = 99;
Console.WriteLine("classPoint2.X를 99로 변경 후...");
Console.Write("변경 후 classPoint1: ");
classPoint1.Display(); // 원본의 값도 바뀌었습니다!
// 2. 구조체 (값 형식)
Console.WriteLine("\n--- 구조체(값 형식) 테스트 ---");
PointStruct structPoint1 = new PointStruct(10, 20);
PointStruct structPoint2 = structPoint1; // '보석 상자'를 통째로 복사
Console.Write("변경 전 structPoint1: ");
structPoint1.Display();
// 복사본(structPoint2)의 값을 변경합니다.
structPoint2.X = 99;
Console.WriteLine("structPoint2.X를 99로 변경 후...");
Console.Write("변경 후 structPoint1: ");
structPoint1.Display(); // 원본의 값은 그대로입니다!
}
}[실행 결과]
--- 클래스(참조 형식) 테스트 ---
변경 전 classPoint1: (10, 20)
classPoint2.X를 99로 변경 후...
변경 후 classPoint1: (99, 20)
--- 구조체(값 형식) 테스트 ---
변경 전 structPoint1: (10, 20)
structPoint2.X를 99로 변경 후...
변경 후 structPoint1: (10, 20)결과가 정말 명확하죠?
- 클래스는 복사본을 수정했더니 원본까지 바뀌었습니다.
- 구조체는 복사본을 수정해도 원본은 전혀 영향을 받지 않았습니다.
구조체는 데이터가 복사되고 클래스는 주소만 복사된다는 점이 핵심적인 차이입니다.
5)구조체의 주요 특징
구조체는 클래스와 비슷하게 속성, 메서드, 생성자 등을 가질 수 있지만
몇 가지 중요한 특징이 있습니다.
상속 불가: 다른 클래스나 구조체를 상속받을 수 없습니다.
인터페이스 구현: 클래스처럼 인터페이스를 구현하여 특정 규약을 따를 수 있습니다.
성능 이점: 작고 수명이 짧은 데이터를 다룰 때, 클래스보다 빠를 수 있습니다.
6)구조체는 언제 사용할까요?
C#에서 구조체는 클래스와 유사해 보이지만, 메모리 관리 방식과
동작에서 큰 차이가 있습니다. 이 차이점 때문에 구조체를 잘 사용하다면
성능 최적화의 도구가 되지만, 무분별하게 사용하면 성능이 저하될 수 있습니다.
다음의 조건을 만족할 때 구조체 사용을 고려해 보세요.
1. 논리적으로 '하나의 값'처럼 취급될 때
구조체는 개념적으로는 단일 값을 표현하는 데 가장 적합합니다.
예를 들어, Point는 X와 Y 좌표를 갖지만 '하나의 좌표'로 표현 됩니다.
2. 인스턴스의 크기가 16바이트 이하로 작을 때
일반적으로 구조체의 데이터 크기는 16바이트를 넘지 않는 것이 좋습니다.
인스턴스 크기가 크면 복사 비용이 참조(8바이트)를 전달하는 것보다 비싸집니다.
차라리 8바이트짜리 주소만 전달하는 클래스를 쓰는 게 성능에 더 유리합니다.
(16바이트 기준: long 2개, int 4개, short 8개, bool 16개)
3. 불변(Immutable)일 때
구조체는 복사 시 원본과 다른 객체가 되므로 생성된 후에
값이 변하지 않는 불변(Immutable)으로 만드는 것이 가장 이상적입니다.
구조체의 값 형식(Value Type)에서 발생할 수 있는 버그를 막습니다.
4. 박싱/언박싱이 자주 일어나지 않을 때
구조체는 값 형식입니다. 만약 object형식이나 인터페이스 형식의 변수에 담으면,
힙(Heap)에 객체를 새로 할당하고 값을 복사하는 박싱(Boxing)이 일어납니다.
박싱은 가비지 컬렉션(GC)의 부담을 늘려 성능 저하의 원인이 됩니다.
7)불변의 구조체 만들기
readonly: 구조체 내부의 모든 필드를 읽기 전용으로 만듭니다.
public readonly struct ImmutablePoint
{
public int X { get; }
public int Y { get; }
public ImmutablePoint(int x, int y)
{
X = x;
Y = y;
}
}record struct: C# 10.0 이상에서는 구조체에 레코드의 기능을 사용할 수 있어요.
public readonly record struct ImmutablePoint(int X, int Y);8)힙 메모리에 구조체 할당?
구조체는 스스로의 의지로 힙에 가지 않아요. 힙에 사는 객체(클래스, 배열)의
'운명 공동체'가 되면 어쩔 수 없이 같이 힙(Heap)에 살게 되는 것입니다.
상황 1: 지갑만 따로 있을 때 (일반적인 구조체)
public struct MyWallet { public int Money; }
class Program
{
static void Main()
{
void GoToConvenienceStore()
{
MyWallet myWallet; // '지갑'을 책상 위에 꺼내 놓음 (스택)
myWallet.Money = 10000;
// 편의점에서 물건 사고 메서드 종료
} // 메서드가 끝나면 책상 위 '지갑'은 바로 사라짐
}
}여기서 MyWallet구조체는 메서드의 작업 공간(스택)에 잠시 만들어졌다가
메서드가 끝나면 사라집니다. 이게 구조제의 기본 규칙이죠.
상황 2: 가방 안에 지갑이 있을 때 (클래스의 필드인 구조체)
public struct MyWallet { public int Money; }
public class MyBag { public MyWallet Wallet; } // '가방'은 '지갑'을 가질 수 있다
class Program
{
static void Main()
{
void GoToTrip()
{
MyBag myBag = new MyBag(); // '가방'을 힙 메모리에서 만듦
myBag.Wallet.Money = 50000;
// ... 여행을 다님 ...
}
}
}지갑이 혼자 있었다면 책상(스택)에 있었겠지만, 가방의 '내용물'이
되었기 때문에 운명 공동체가 되어 함께 힙(Heap)에 있게 된 것입니다.
상황 3: 상자 안에 지갑이 여러 개가 있을 때 (배열에 포함된 구조체)
public struct MyWallet { public int Money; }
class Program
{
static void Main()
{
void OrganizeWallets()
{
// '지갑' 3개를 담을 수 있는 '상자'(배열)를 힙 메모리에서 만듦
MyWallet[] walletBox = new MyWallet[3];
walletBox[0].Money = 10000;
walletBox[1].Money = 20000;
walletBox[2].Money = 30000;
}
}
}walletBox라는 배열(상자) 자체가 힙 메모리에서 큰 공간을 할당받습니다.
그리고 그 공간 안에 MyWallet구조체 3개가 내용물로서 직접 저장됩니다.
따라서 이 구조체들도 힙 메모리에 위치하게 됩니다.
9)마무리
C#은 객체 지향 프로그래밍 언어로써, 기본 선택지는 클래스입니다.
성능 최적화가 필요한 특정 상황에서 구조체 사용을 고려해야 합니다.
처음에는 클래스 사용에 익숙해지는 것에 집중하시고,
나중에 성능 최적화가 필요한 상황에서 구조체를 사용해 보세요.
| 구분 | 구조체(Struct) | 클래스(Class) |
|---|---|---|
| 형식 | 값 형식(Value Type) | 참조 형식(Reference Type) |
| 저장 방식 | 변수가 실제 값을 직접 보관 | 변수가 힙 객체를 가리키는 참조(주소)를 보관 |
| 전달/할당 방식 | 데이터 전체가 값으로 복사 (Pass by Value) | 참조(주소)가 복사 (Pass by Value of Reference) |
| 상속 | 불가능 (인터페이스는 구현 가능) | 가능 |
| 핵심 역할 | 작고 불변인 '값(Value)'의 캡슐화 | 독립적인 정체성과 행위를 가진 '객체(Object)' |
