[C++] RAII(SBRM)로 안전하게 리소스 관리하기

RAII(Resource Acquisition Is Initialization) - SBRM(Scope Bound Resource Managemnet)

가비지 컬렉터(Garbage Collector)가 있는 C#과 달리, C++ 프로그래밍에서 자원의 관리는 전적으로 개발자의 책임입니다. 힙(Heap) 영역에서 어떤 핸들을 생성했으면 반드시 해제하여 메모리 사용을 반환해야 하는 것이죠. 만약, 그렇지 않다면 메모리 누수가 발생하거나 예측 불가능한 상황에 직면할 수 있습니다.

여기서 자원(Resource)이라는 것은 흔히 얘기하는 사용자 버퍼 공간이 될 수도 있고, 소켓, 파일, GDI 등 어떤 객체의 핸들이 될 수도 있습니다. 이러한 자원을 생성하고, 스코프 영역(Scope bound)을 벗어나면 자동으로 해제하는 개념을 RAII라고 합니다. RAII를 디자인 패턴(Design pattern) 또는 관용구(Idiom)라고도 하죠.

참고로, RAII 이름이 개념에 비해 적절하지 않다는 의견이 있습니다. RAII 개념의 핵심은 파괴(해제)인데, 이름은 초기화이기 때문입니다. 그래서 SBRM(Scope Bound Resource Management)라는 이름이 생긴 것이죠. SBRM은 의미 그대로, 스코프 영역에서의 자원 관리를 뜻합니다. 좀 더 이해하기가 쉽죠?

아래 링크는 RAII 이름에 대한 번역가 류광님의 해석인데, 해당 링크도 읽어보면 좋을 것 같습니다.

https://occamsrazr.net/tt/297

C++ RAII(Resource Acquisition Is Initialization)의 해석

RAII가 필요한 상황

그렇다면, RAII라는 것이 어떤 상황에서 필요한 것일까요? 몇 가지 예시를 들어 보겠습니다.

mutex가 안전하게 해제되지 않는 경우

아래 코드는 doSomething() 함수에 진입하면 mutex로 lock이 걸려 다른 리소스의 접근을 막게 되고, 이후 예외가 발생하여 가장 근접한 try-catch 문으로 빠져나가는 동작을 수행합니다.

#include <mutex>

std::mutex mutex;

void doSomething()
{
	mutex.lock();

	throw std::exception("예외 발생!");

	mutex.unlock();
}

int main()
{
	try
	{
		doSomething();
	}
	catch (const std::exception& exc)
	{
		std::cout << exc.what() << std::endl;
	}
}

즉, unlock이 호출되지 않은 채 불안정하게 함수를 빠져나가는 상황입니다. 이렇게 잠금이 해제되지 않은 채 프로그램이 종료되거나, 다른 곳에서 다시 lock을 호출하면 오류가 발생합니다.

이 경우에는 lock_guard를 사용하여 안전하게 mutex를 사용할 수 있습니다.

#include <mutex>

std::mutex mutex;

void doSomething()
{
	std::lock_guard<std::mutex> g(mutex);

	throw std::exception("예외 발생!");
}

int main()
{
	try
	{
		doSomething();
	}
	catch (const std::exception& exc)
	{
		std::cout << exc.what() << std::endl;
	}
}

lock_guard는 RAII 스타일 메커니즘이 적용된 편리한 mutex wrapper 클래스로, lock_guard 객체가 생성되면 mutex 소유권을 얻으려고 시도하고, 스코프 영역을 벗어나면 객체가 파괴되고 해제됩니다. 자세한 설명은 아래 링크를 참고하세요.

https://en.cppreference.com/w/cpp/thread/lock_guard

std::lock_guard - cppreference.com

사용자 메모리가 안전하게 해제되지 않는 경우

사용자 메모리를 생성하고 제거하기 위해 new와 delete를 사용합니다. 아래 예시는, 사용자 메모리를 생성했는데 어떠한 이유로 delete를 정상적으로 호출하지 않아 메모리 누수가 감지되는 상황입니다.

#define _CRTDBG_MAP_ALLOC
#include <cstdlib>
#include <crtdbg.h>

#ifdef _DEBUG
#define new new ( _NORMAL_BLOCK , __FILE__ , __LINE__ )
#endif

void doSomething()
{
	unsigned char* buffer = new unsigned char[100];

	throw std::exception("예외 발생!");

	delete buffer;
	buffer = nullptr;
}

int main()
{
	try
	{
		doSomething();
	}
	catch (const std::exception& exc)
	{
		std::cout << exc.what() << std::endl;
	}

	_CrtDumpMemoryLeaks();
}

위 코드를 실행하면 아래와 같이 메모리 누수가 감지됩니다. 해당 메시지를 더블 클릭하면 정확히 11번째 라인에서 메모리 누수가 있음을 알 수 있습니다.

메모리 누수가 감지된 결과

위 예시의 CRTDBG를 사용하는 방법은 아래 링크를 참고하세요.

[디버깅] 메모리 누수를 점검하는 방법 - CRTDBG (예제 포함)

[디버깅] 메모리 누수를 점검하는 방법 - CRTDBG (예제 포함)

이렇게 사용자 메모리를 안전하게 사용하기 위해서는 스마트 포인터(Smart pointer)를 사용할 것을 권장합니다.

#include <vector>
#include <memory>

#define _CRTDBG_MAP_ALLOC
#include <cstdlib>
#include <crtdbg.h>

#ifdef _DEBUG
#define new new ( _NORMAL_BLOCK , __FILE__ , __LINE__ )
#endif

void doSomething()
{
	std::unique_ptr<std::vector<unsigned char>> buffer = std::make_unique<std::vector<unsigned char>>(100);
	
	throw std::exception("예외 발생!");
}

int main()
{
	try
	{
		doSomething();
	}
	catch (const std::exception& exc)
	{
		std::cout << exc.what() << std::endl;
	}

	_CrtDumpMemoryLeaks();
}

다소 복잡해 보이는데요. unsigned char를 vector로 구성하고, 이를 unique_ptr로 관리하는 방식입니다. 이 경우, 아래와 같이 직접 포인터 주소에 접근할 수 있습니다.

unsigned char* ptr = buffer->data();

이렇게 스마트 포인터를 사용하면 직접 메모리를 해제하지 않아도 자동으로 관리해 줍니다. 스마트 포인터에 대한 자세한 설명은 아래 링크를 참고하세요.

https://en.cppreference.com/book/intro/smart_pointers

smart pointers - cppreference.com