스마트 포인터 상호 참조 문제

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• 개인 프로젝트를 진행하면서 안전한 포인터 사용을 위해 스마트 포인터를 사용하였지만 사용 미숙으로 인해 shared_ptr의 상호 참조 문제가 발생하였다
• 메모리가 해제되지 못하고 끝까지 남아있는 것을 발견하고 해당 문제를 해결하게 되었다

문제점

• shared_ptr은 하나의 메모리를 여러 객체가 공유하고자 할 때 사용할 수 있음
• 당연하게도 A라는 클래스에 대한 shared_ptr을 B라는 클래스의 객체가 소유할 수 있음

Class A
{
public:
    A() {}
    std::shared_ptr<B> b;
};

Class B
{
public:
    B() {}
    std::shared_ptr<A> a;
}

int main()
{
    auto a = std::make_shared<A>();
    auto b = std::make_shared<B>();

    // 서로 참조 횟수 증가
    a->b = b;
    b->a = a;
}

• 위와 같은 코드는 shared_ptr의 잘못된 사용의 예시임
• A 가 B 에 대한 shared_ptr을 소유하고 B 가 A 에 대한 shared_ptr을 소유하는 순환 참조 문제가 일어남
• shared_ptr은 참조 카운트를 내부적으로 가지고 있으며 참조 카운트가 0이 될 경우 소멸하는 로직을 가지고있음
• 결론적으로 객체가 소멸되어야 할 타이밍에 소멸되지 못하고 메모리 누수가 발생함

해결 방법

• 순환 참조가 일어날 가능성이 있는 구조에서는 weak_ptr을 사용하여 소유권을 가지지 않도록 해야함

class A
{
public:
    A() { std::cout << "Created A\n"; }
    ~A() { std::cout << "Destroyed A\n"; }
    std::weak_ptr<B> b;
};

class B
{
public:
    B() { std::cout << "Created B\n"; }
    ~B() { std::cout << "Destoryed B\n"; }
    std::weak_ptr<A> a;
};

int main()
{
    auto a = std::make_shared<A>();
    auto b = std::make_shared<B>();

    a->b = b;
    b->a = a;
}

• weak_ptr로 공유를 받게 될 경우 참조 카운트를 증가시키지 않고 shared_ptr의 weak 카운트를 증가시키며 이는 객체의 소멸 조건에 영향을 주지 않음
  • 결론적으로 참조 카운트는 0이 되며 안전하게 소멸자를 호출함

shared_ptr의 구조

• shared_ptr은 메모리 블록에 실제 데이터 메모리 영역과 이를 관리하는 컨트롤 블록(Control Block)영역으로 나뉨
• 이때 컨트롤 블록은 참조 카운트, weak 카운트 (약한 참조), 객체 소멸자 포인터 등 해당 메모리를 관리하기 위한 정보들로 이루어져있음
• 참조 카운트가 0이 되면 객체는 소멸함, 그러나 weak 카운트가 0이 아니라면 컨트롤 블록은 소멸하지 않음
  • 소멸 체크를 위한 로직

auto a = std::make_shared<A>();

// 여기서 자동으로 약한 참조
std::weak_ptr<A> weakA = a;
if(auto sharedA = weakA.lock())
{
    sharedA->DoSomething();
}

• 위와 같은 방식으로 shared_ptr로 초기화 된 a 객체에 대해서 약한 참조를 할 때 lock()을 통해 객체가 유효한지 확인 할 수 있으며 lock()은 shared_ptr을 반환함