C++ 메모리 관리 완전 정복 - 스택 vs 힙, 스마트 포인터, RAII

📌 학습 목표

• 스택과 힙의 차이를 명확히 이해
• 스마트 포인터(unique_ptr, shared_ptr, weak_ptr) 사용법 학습
• RAII 개념과 활용

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📝 개념 정리

1. 스택(Stack)

• 함수 호출 시 자동으로 할당/해제되는 메모리 영역
• 지역 변수, 함수 인자 저장
• LIFO 구조, 빠르지만 크기 제한이 있음

void function() {
    int localVar = 42;  // 스택에 저장
    char arr[1024];     // 스택에 저장
} // 함수 종료 시 자동 해제

2. 힙(Heap)

• new / delete 를 통해 동적 할당되는 메모리
• 크기가 유연하지만 관리 책임이 프로그래머에게 있음
• 잘못 관리 시 메모리 누수 발생

int* ptr = new int(42);  // 힙에 할당
delete ptr;              // 수동 해제 필요

3. 스마트 포인터

C++11에서 도입된 자원 관리 도구로, 메모리 누수를 방지합니다.

unique_ptr - 단일 소유권

std::unique_ptr<int> ptr = std::make_unique<int>(42);
// 자동으로 delete 호출, 복사 불가, 이동만 가능

shared_ptr - 참조 카운팅 기반 공유

std::shared_ptr<int> ptr1 = std::make_shared<int>(42);
std::shared_ptr<int> ptr2 = ptr1;  // 참조 카운트 증가
// 마지막 참조가 사라질 때 자동 해제

weak_ptr - 순환 참조 방지

std::weak_ptr<Node> weakPtr = sharedPtr;
if (auto locked = weakPtr.lock()) {
    // 안전하게 접근
}

4. RAII (Resource Acquisition Is Initialization)

• 객체의 생성 시 자원 획득, 소멸 시 자원 해제
• C++의 핵심 원칙 중 하나
• 예: 파일 핸들, 뮤텍스, 스마트 포인터 등

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💻 실전 예제

스마트 포인터 활용

#include <iostream>
#include <memory>
using namespace std;

class FileHandler {
public:
    FileHandler() { cout << "파일 열기\n"; }
    ~FileHandler() { cout << "파일 닫기\n"; }
    void process() { cout << "파일 처리 중...\n"; }
};

void smartPointerExample() {
    // unique_ptr 사용
    auto filePtr = make_unique<FileHandler>();
    filePtr->process();
    
    // shared_ptr 사용
    auto sharedFile = make_shared<FileHandler>();
    {
        auto anotherRef = sharedFile;  // 참조 카운트: 2
        anotherRef->process();
    } // 참조 카운트: 1
    
    // 함수 종료 시 자동 해제
}

RAII 패턴 구현

class LockGuard {
    std::mutex& mtx;
public:
    LockGuard(std::mutex& m) : mtx(m) {
        mtx.lock();
        cout << "뮤텍스 잠금\n";
    }
    
    ~LockGuard() {
        mtx.unlock();
        cout << "뮤텍스 해제\n";
    }
};

void threadSafeFunction() {
    static std::mutex mtx;
    LockGuard guard(mtx);  // RAII를 활용한 자동 관리
    
    // 임계 영역 코드
    cout << "스레드 안전 작업 수행\n";
    
    // 함수 종료 시 자동으로 뮤텍스 해제
}

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🎯 연습 문제

1. 스마트 포인터 비교
   • unique_ptr와 shared_ptr의 차이를 설명하고, 순환 참조 문제를 weak_ptr로 해결하는 코드를 작성하세요.
2. RAII 구현
   • 파일을 자동으로 관리하는 FileManager 클래스를 RAII 패턴으로 구현하세요.
3. 메모리 분석
   • 다음 코드의 메모리 사용 패턴을 분석하고 개선점을 제시하세요:

     void problematicCode() {
       int* arr = new int[1000];
       // 작업 수행
       // delete[] 누락!
     }
     

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🔗 관련 링크

공식 문서

• C++ 스마트 포인터 - cppreference
• RAII - cppreference

추천 자료

• Effective Modern C++ - Scott Meyers

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🔎 심화 학습

• malloc/free와 new/delete 차이점
• shared_ptr의 내부 동작(제어 블록)
• std::scoped_lock과 같은 RAII 활용 사례
• 메모리 풀(Memory Pool) 개념
• 커스텀 알로케이터 구현

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💡 실무 적용 팁

1. 항상 스마트 포인터 우선 고려
   • new/delete 대신 make_unique/make_shared 사용
2. RAII 패턴 적극 활용
   • 자원 관리가 필요한 모든 곳에 적용
3. 성능 고려사항
   • unique_ptr은 일반 포인터와 동일한 성능
   • shared_ptr은 참조 카운팅 오버헤드 존재

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🪞 회고 질문

• 스택과 힙의 차이를 메모리 관점에서 설명할 수 있는가?
• 실무에서 스마트 포인터를 언제 선택해야 하는지 구분할 수 있는가?
• RAII 개념이 없는 언어(예: C)에서는 어떻게 자원 관리를 해야 할까?
• 순환 참조가 발생할 수 있는 실제 상황을 예시로 들 수 있는가?

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🚀 다음 학습 주제

다음으로는 C# 메모리 관리에서 가비지 컬렉터의 동작 원리와 C++의 수동 메모리 관리와의 차이점을 알아보겠습니다!