[ RUST ] 스마트 포인터 (smart pointer)

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Contents

• 스마트 포인터
  • Box<T>
  • Rc<T>
  • Arc<T>
  • Cell<T> 과 RefCell<T>
• 나만의 스마트 포인터

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스마트 포인터

스마트 포인터는 메모리의 주소 값을 가지는 변수, 즉 포인터에 추가적으로 데이터의 소유와 메타 데이터의 기능도 가지고 있는 데이터 구조입니다.
스마트 포인터는 구조체(Struct) 타입으로 정의 하며, 포인터가 가르키는 값을 참조하기 위한 Deref와 참조한 값의 소유권을 잃을 때 호출될 Drop trait을 구현하여야 합니다.

러스트의 대표적인 스마트 포인터로는 Box, Rc, Arc, Cell 등이 있으며, 아래와 같은 특징을 가집니다.

스마트 포인터	소유권	스레드
Box<T>	단일 소유권	싱글 스레드
Rc<T>	다중 소유권	싱글 스레드
Arc<T>	다중 소유권	멀티 스레드
Cell<T>	단일 소유권	싱글 스레드

Box<T>

가장 직관적인 스마트 포인터이며, Box는 데이터를 스택이 아니라 힙에 저장할 수 있도록 해줍니다. 스택에 남는 것은 힙 데이터를 가리키는 포인터입니다.
컴파일시에 크기를 특정할 수 없는 데이터 타입을 가지고 있고, 데이터의 소유권을 이동시킬때 데이터의 복사가 일어나는 것을 원치 않을 경우, 그리고 스택에 큰 데이터를 저장할 때 스택 오버플로우가 예상되는 경우 사용하면 됩니다.
<사용 예시>

fn main() {
    let b = Box::new(5);
    println!("b = {}", b);
}

Rc<T>

러스트에서는 대부분의 소유자가 명확합니다. 그러나 하나의 제너릭 데이터 T에 대해 여러 소유자가 필요한 경우도 있습니다. 이럴 경우 소유권을 공유할 수 있는 Rc(Reference counted) 스마트 포인터를 사용하면 됩니다. <사용 예시>

use std::rc::Rc;

fn main() {
    let a = Rc::new(5);
    let b = Rc::clone(&a);
    println!("a: {}, b: {}", a, b);
}

Arc<T>

Arc(Atomically reference counted)는 힙에 할당된 제너릭 데이터 T의 값을 다중 스레드 상황에서 안전하게 공유할 수 있도록 하는 스마트 포인터입니다. Arc는 참조 연산시 원자적 연산을 하게 되는데, 이는 메모리 접근 비용 보다 더 많은 비용을 소모하게 됩니다. 따라서 스레드 상황이 아니라면 Rc를 사용하는 것이 좋습니다.

원자적 연산이란 처리 중간에 다른 연산을 허용하지 않는 연산입니다. 다중 스레드 처리시 “이 만큼 했다”라는 모호함이 없고, 오직 “끝났다”와 “시작전이다”만 존재하는 연산입니다.

<사용 예시>

use std::sync::Arc;
use std::thread;

fn main() {
    let data = Arc::new(vec![1, 2, 3]);
    let dc1 = data.clone();
    let dc2 = data.clone();

    let handle1 = thread::spawn(move || {
        println!("data clone #1: {:?}", dc1);
    });

    let handle2 = thread::spawn(move || {
        println!("data clone #2: {:?}", dc2);
    });

    handle1.join().unwrap();
    handle2.join().unwrap();
}

Cell<T> 과 RefCell<T>

Cell, RefCell은 Box와 마찬가지로 단일 소유권을 가지는 스마트 포인터입니다. 단지 차이점은 Box는 제너릭 데이터 T를 가변적 변수로 사용할 수 없는데, 반해 Cell은 불변 변수를 가변 변수처럼 사용이 가능합니다.
Cell은 어떤 데이터에 대한 불변 참조자가 있더라도 데이터를 변경할 수 있도록 내부 가변성(interior mutability) 디자인 패턴을 제공합니다. 그리고 RefCell의 경우는 데이터 변경이 아닌 참조를 이용하여 데이터를 변경하려고 하면 RefCell을 사용해야 합니다.
<사용 예시>

use std::cell::Cell;

fn main() {
    let c = Cell::new(1);
    println!("set #1 : {}", c.get());
    c.set(2);
    println!("set #2 : {}", c.get());
}

<사용 예시>

use std::cell::RefCell;

fn main() {
    let rc = RefCell::new(1);
    println!("borrow #1 : {}", rc.borrow());
    *rc.borrow_mut() += 2;
    println!("borrow #2 : {}", rc.borrow());
}

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나만의 스마트 포인터

마지막으로 Box와 유사한 스마트 포인터를 구현하는 방법을 알아 보겠습니다.

struct BoxEx<T>(T);

impl<T> BoxEx<T> {
  fn new(x: T) -> BoxEx<T> {
    BoxEx(x)
  }
}

Box<T>와 같이 제너릭 데이터 T를 사용하도록 하였고, new를 이용하여 힙에 데이터를 할당하도록 하였습니다.
다음으로 앞에서 잠깐 언급했던 Deref와 Drop을 아래와 같이 구현해 줍니다.

use std::ops::Deref; 

impl<T> Deref for BoxEx<T> {
  type t = T;
  
  fn deref(&self) -> &Self::t {
    &self.0
  }
}

fn main() {
  let a = 5;
  let b = BoxEx::new(a);
  
  println!("BoxEx value : {}", b);
}