이펙티브 C++(350p ~ 361p)

이펙티브 C++
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페이지 350p ~ 361p

이펙티브 C++(350p ~ 361p)

요약

항목 49: new 처리자의 동작 원리를 제대로 이해하자

• new를 사용할 때 할당된 객체의 클래스 타입에 따라서 메모리 할당 실패에 대한 처리를 다르게 가져가고 싶은 경우가 있다.

class X {
public:
    static void outOfMemory();
};

class Y {
public:
    static void outOfMemory();
};

X* p1 = new X;        // 메모리 할당이 실패하면 X::outOfMemory 호출
Y* p2 = new Y;        // 메모리 할당이 실패하면 Y::outOfMemory 호출

• C++에는 특정 클래스만을 위한 할당에러 처리자를 둘 수 있는 기능은 없다.
• 하지만 클래스 내부에서 자체 버전의 set_new_handler 및 operator new를 제공하도록 만들어 주기만 하면 된다.
• 클래스에서 제공하는 set_new_handler 함수의 역할은 사용자로부터 그 클래스에 쓰기 위한 new 처리자를 받아내는 것이다.
• 클래스에서 제공하는 operator new 함수는 그 클래스 객체를 담을 메모리가 할당되려고 할 때(그리고 실패했을 때) 전역 new 처리자 대신 클래스 버전의 new 처리자가 호출되도록 만드는 역할을 한다.
• 다음은 Widget 클래스에 대한 메모리 할당 실패를 직접 처리하고 싶은 경우의 예시이다.
  • Widget 객체를 담을 만큼의 메모리를 operator new 함수가 할당하지 못할 경우에 호출될 new 처리자 함수를 new_handler 타입의 정적 멤버 데이터로 선언한다.

class Widget {
public:
    static std::new_handler set_new_handler(std::new_handler p) throw();

    static void* operator new(std::size_t size) throw(std::bad_alloc);

private:
    static std::new_handler currentHandler;
};

• 정적 클래스 멤버의 정의는 그 클래스 바깥쪽에 있어야 하므로 다음과 같이 하면 된다.

std::new_handler Widget::currentHandler = 0;

• Widget이 제공하는 set_new_handler 함수는 자신에게 넘어온 포인터를 아무런 점검 없이 저장해 놓고, 바로 전에 저장했던 포인터를 역시 아무런 점검 없이 반환하는 역할만 맡는다. 표준 라이브러리의 set_new_handler가 담당하는 일과 같다.

std::new_handler Widget::set_new_handler(std::new_handler p) throw()
{
    std::new_handler oldHandler = currentHandler;
    currentHandler = p;
    return oldHandler;
}

• 이제 마지막으로 Widget의 operator new 함수가 할 일만 남았다.
  1. 표준 set_new_handler 함수에 Widget 의 new 처리자를 넘겨서 호출한다. 즉, 전역 new 처리자로서 Widget의 new 처리자를 설치한다.
  2. 전역 operator new를 호출하여 실제 메모리 할당을 수행한다. 전역 operator new의 할당이 실패하면, 이 함수는 Widget의 new 처리자를 호출하게 된다. 바로 앞 단계에서 전역 new 처리자로 설치된 함수가 바로 이 함수이다. 마지막까지 전역 operator new의 메모리 할당 시도가 실패하면, 전역 operator new는 좌절을 선언하는 의미로 bad_alloc을 던진다.
     1. 이 경우 Widget의 operator new는 전역 new 처리자를 원래의 것으로 되돌려 놓고, 이 예외를 전파시켜야 한다.
     2. 원래의 전역 new 처리자를 항상 실수 없이 되돌려놓을 수 있도록, Widget은 전역 new 처리자를 자원으로 간주하고 처리한다.(자원 관리 객체를 사용하여 전역 new 처리자를 관리함으로써 자원 누수를 막는다.)
  3. 전역 operator new 함수가 Widget 객체 하나만큼의 메모리를 할당할 수 있으면, Widget의 operator new는 이렇게 할당된 메모리를 반환한다. 이와 동시에, 전역 new 처리자를 관리하는 객체의 소멸자가 호출되면서 Widget의 operator new가 호출되기 전에 쓰이고 있던 전역 new 처리자가 자동으로 복원된다.
• 단계적으로 구현할 차례이다. 전역 new 처리자를 자원으로 삼는다고 했으므로, 우선 자원 관리 클래스를 하나 준비한다. RAII 연산 외엔 아무것도 없는 단순한 클래스이다.

class NewHandlerHolder {
public:
    // 현재의 new 처리자를 획득
    explicit NewHandlerHolder(std::new_handler nh)
        :handler(nh) {}

    // 이것을 해제
    ~NewHandlerHolder() { std::set_new_handler(handler); }

private:
    // 이것을 기억
    std::new_handler handler;

    // 복사를 막기 위한 부분
    NewHandlerHolder(const NewHandlerHolder&);
    NewHandlerHolder& operator=(const NewHandlerHolder&);
};

• Widget의 operator new는 다음과 같이 구현한다.

void* Widget::operator new(std::size_t size) throw(std::bad_alloc)
{
    // Widget의 new 처리자를 설치한다.
    // 현재의 new 처리자가 반환되어 NewHandlerHolder에 저장된다.
    NewHandlerHolder h(std::set_new_handler(currentHandler));

    // 메모리를 할당하거나 할당이 실패하면 예외를 던진다.
    return ::operator new(size);

}    // 이전의 전역 new 처리자가 자동으로 복원된다.
    // NewHandlerHolder에서 현재의 new 처리자를 복원한다.

• Widget 클래스를 사용하는 쪽에서 new 처리자 기능을 쓰려면 다음과 같이 하면 된다.

// Widget 객체에 대한 메모리 할당이 실패했을 때 호출될 함수의 선언
void outOfMem();

// Widget의 new 처리자 함수로서 outOfMem 설치
Widget::set_new_handler(outOfMem);

// 메모리 할당이 실패하면 outOfMem 호출
Widget* pw1 = new Widget;

// 메모리 할당이 실패하면 전역 new 처리자 함수가 있으면 호출
std::string* ps = new std::string;

// Widget 클래스만을 위한 new 처리자 함수가 아무것도 없도록 설정
Widget::set_new_handler(0);

// 메모리 할당이 실패하면 이제는 예외를 바로 던짐
Widget* pw2 = new Widget;

• 자원 관리 객체를 통한 할당에러 처리를 구현하는 이런 방식의 코드는 어떤 클래스를 쓰더라도 똑같이 나올 것이다.
• 이 코드를 다른 클래스에서도 재사용할 수 있도록 잘 만져 놓으면 좋다.
• 이런 용도에 손쉽게 쓸 수 있는 방법으로 믹스인 양식이 있다.
  • 다른 파생 클래스들이 한 가지의 특정 기능만을 물려받아 갈 수 있도록 설계된 기본 클래스이다.
  • 지금 경우의 특정 기능은 클래스별 new 처리자를 설정하는 기능이다.
  • 그 다음에 그렇게 만든 클래스를 템플릿으로 바꾼다.
  • 이렇게 하면 파생 클래스마다 클래스 데이터의 사본이 따로따로 존재하게 된다.
• 이렇게 설계된 클래스 템플릿으로 얻을 수 있는 효과는 다음과 같다.
  • 기본 클래스 부분은 파생 클래스들이 가져야 하는 set_new_handler와 operator new 함수를 물려준다.
  • 템플릿 부분은 각 파생 클래스가(인스턴스화 되면서) currentHandler 데이터 멤버를 따로따로 가질 수 있게 한다.

// 클래스별 set_new_handler를 지원하는 믹스인 양식의 기본 클래스
template<typename T>
class NewHandlerSupport {
public:
    static std::new_handler set_new_handler(std::new_handler p) throw();
    static void* operator new(std::size_t size) throw(std::bad_alloc);

    // operator new의 다른 버전들을 이 자리에 둔다. 항목 52 참고

private:
    static std::new_handler currentHandler;
};

template<typename T>
std::new_handler NewHandlerSupport<T>::set_new_handler(std::new_handler p) throw()
{
    std::new_handler oldHanlder = currentHandler;
    currentHandler = p;
    return oldHandler;
}

template<typename T>
void* NewHandlerSupport<T>::operator new(std::size_t size) throw(std::bad_alloc)
{
    NewHandlerHolder h(std::set_new_handler(currentHandler));
    return ::operator new(size);
}

// 클래스별로 만들어지는 currentHandler 멤버를 널로 초기화
template<typename T>
std::new_handler NewHandlerSupport<T>::currentHandler = 0;

class Widget : public NewHandlerSupport<Widget>
{
    // set_new_handler, operator new에 대한 선언문은 빠짐
};

• NewHandlerSupport<Widget>으로부터 Widget이 상속을 받는 부분이 있다.

• NewHandlerSupport 템플릿은 타입 매개변수 T를 아예 쓰지 않는다. 이 템플릿은 T를 쓸 필요가 전혀 없다. 실제로 필요한 것은 NewHandlerSupport로부터 파생된 각 클래스에 대한 객체의 서로 다른 사본(정적 데이터 멤버인 currentHandler의 사본)밖에 없다.

• 이 템플릿의 매개변수인 T는 그냥 파생 클래스들을 구분해 주는 역할만 한다.

• 어떤 클래스에 클래스 별 new 처리자를 붙이고 싶을 때 NewHandlerSupport와 같은 템플릿을 쓰면 확실히 쉬운 것은 사실이지만, 믹스인 양식의 상속을 쓰다 보면 어쩔 수 없이 다중 상속 이야기가 끌려 나온다.

• 1993년까지의 C++는 operator new가 실패하면 널 포인터를 반환하도록 되어 있었다.

• 그러다가 몇 년이 지난 후에 bad_alloc을 던지도록 명세가 바뀌었는데, 컴파일러 제작사들이 수정된 명세를 지원하려고 폼을 잡을 당시에 이미 많은 C++ 개발도구들이 만들어져 군웅할거하고 있다는 점이 걸림돌이었다.

• C++ 표준화 위원회는 널 포인터 점검 기반의 콛를 버리고 싶지 않았기 때문에 결국 할당 - 실패시 널 반환으로 동작하는 대안적인 형태의 operator new도 같이 내놓았다.

• 이런 형태를 가리켜 예외불가(nothrow) 형태라고 하는데, new가 쓰이는 위치에서 이런 함수가 예외를 던지지 않는 객체를 사용한다는 점도 그렇게 불리는 부분적인 이유라고 한다.

class Widget {};

// 할당이 실패하면 bac_alloc 예외를 던짐
Widget *pw1 = new Widget;

if (pw1 == 0) {} // 이 점검 코드는 꼭 실패함

// Widget을 할당하다 실패하면 널을 반환
Widget *pw2 = new (std::nothrow) Widget;

if (pw2 == 0) {} // 이 점검 코드는 성공할 수 있음

항목 50: new 및 delete를 언제 바꿔야 좋은 소리를 들을지를 파악해 두자

• 컴파일러가 열심히 만들어 준 operator new와 operator delete를 바꾸고 싶은 것일까?
• 가장 흔한 이유 세 가지는 다음과 같다.

잘못된 힙 사용 탐지를 위해

• new한 메모리에 delete를 하는 것을 잊어버리면 메모리가 누출되는 것이 이 바닥의 이치이다.
• 한 번 new한 메모리를 두 번 이상 delete하면 미정의 동작이 발생한다.
• 만일 할당된 메모리의 주소 목록을 operator new가 유지해 두고 operator delete가 그 목록으로부터 주소를 하나씩 제거해 주게 만들어져 있다면, 이런 식의 실수는 쉽게 잡아낼 수 있다.
• 데이터 오버런, 데이터 언더런이 발생하는 것에 대비하여 사용자 정의 operator new를 사용한다면, 요구된 크기보다 약간 더 메모리를 할당한 후에 사용자가 실제로 사용할 메모리의 앞과 뒤에 오버런/언더런 탐지용 바이트 패턴을 적어두도록 만들 수 있다.
  • operator delete는 누군가 이 경계지표에 손을 댔는지 안 댔는지 점검하도록 만든다.
  • 만일 이 경계지표에 원래와 다른 정보가 적혀 있다면 할당된 메모리 블록을 사용하는 도중에 오버런이나 언더런이 발생한 것이므로, operator delete는 이 사실을 로그로 기록함으로써 문제를 일으킨 포인터 값을 남겨 놓을 수 있다.

효율을 향상시키기 위해

• 컴파일러가 제공하는 기본 버전의 operator new 및 operator delete 함수는 대체적으로 일반적인 쓰임새에 맞추어 설계된 것이다.
• 실행 기간이 짧지 않은 프로그램에서 잘 돌아가야 하며, 1초 안에 끝나는 프로그램에서도 별 문제가 없어야 한다.
• 메모리 관리자에 대한 요구사항은 가지각색이기 때문에 컴파일러가 기본적으로 제공하는 operator new 함수와 operator delete 함수가 지극히 대중적이고 온건지향 스타일의 전략을 취한다.
• 개발자가 자신의 프로그램이 동적 메모리를 어떤 성향으로 사용하는지를 제대로 이해하고 있다면, 사용자 정의 operator new 및 operator delete를 사용하는 편이 기본제공 버전을 썼을 때보다 우수한 성능을 낼 확률이 높다.

동적 할당 메모리의 실제 사용에 관한 통계 정보를 수집하기 위해

• 입맛에 맞게 동작하는 new 및 delete를 무작정 작성해 보겠다고 맨땅에 헤딩부터 하는 것보다는, 여러분이 만든 소프트웨어가 동적 메모리를 어떻게 사용하는지에 관한 정보를 수집하는 세심한 자세가 더 필요하다.
• 할당된 메모리 블록의 크기 분포, 각각의 사용 기간, 메모리가 할당되고 해제되는 순서가 FIFO인지 LIFO인지, 시간 경과에 따라 사용 패턴이 변하는지, 각 실행 단계마다 소프트웨어가 보이는 메모리 할당/해제 패턴이 확연한 차이를 보이는지, 한 번에 실제로 쓰이는 동적 할당 메모리의 최대량 등
• 사용자 정의 operator new 및 operator delete를 사용하면 이런 정보를 아주 쉽게 수집할 수 있다.

메모

항목 49: new 처리자의 동작 원리를 제대로 이해하자

• set_new_handler 함수를 쓰면 메모리 할당 요청이 만족되지 못했을 때 호출되는 함수를 지정할 수 있다.
• 예외불가(nothrow) new는 영향력이 제한되어 있다. 메모리 할당 자체에만 적용되기 때문이다. 이후에 호출되는 생성자에서는 얼마든지 예외를 던질 수 있다.