C++ 스마트 포인터: unique_ptr, shared_ptr, weak_ptr

스마트 포인터란

스마트 포인터는 원시 포인터를 감싸고, 소멸자에서 가리키던 객체를 해제하는 클래스 템플릿이다. new로 만든 객체를 스마트 포인터에 맡기면 스마트 포인터 자신이 스택에서 사라질 때(블록 끝, 중간 return, 예외) delete가 자동으로 불린다. RAII를 힙 메모리에 적용한 것이고, 모두 <memory>에 있다.

원시 포인터는 "누가 이 객체를 지울 책임이 있나"를 타입으로 말하지 못한다. 스마트 포인터는 소유권을 타입으로 드러낸다.

타입	소유	복사	해제 시점	도입
`std::unique_ptr<T>`	단독 소유	불가, 이동만	소유자가 사라질 때	C++11
`std::shared_ptr<T>`	공동 소유	가능, 참조 카운트 +1	마지막 소유자가 사라질 때	C++11
`std::weak_ptr<T>`	소유하지 않음	가능	해제에 관여하지 않는다	C++11
`std::auto_ptr<T>`	단독 소유	"복사"가 소유권을 몰래 옮김	-	C++98, C++11에서 폐기 예정, C++17에서 제거

unique_ptr: 단독 소유

#include <memory>
 
{
    auto p = std::make_unique<Widget>(42);   // C++14. new를 직접 쓰지 않는다
    p->run();
 
    // auto q = p;                           // 오류: 복사 생성자가 삭제됐다
    auto q = std::move(p);                   // 소유권 이동. 이제 p는 nullptr
    if (!p) { /* 비어 있다 */ }
}   // q가 사라질 때 Widget 소멸

복사는 막고 이동만 허용한다. 소유자가 늘 하나라는 불변 조건을 컴파일러가 지킨다. 그래서 std::vector<std::unique_ptr<Shape>>처럼 다형적 객체를 컨테이너에 담는 기본 수단이 된다(객체 슬라이싱).
기본 삭제자(delete)를 쓰면 크기가 원시 포인터와 같고 역참조 비용도 같다. 공짜에 가까워서 new/delete를 직접 쓸 이유가 거의 없다.
배열은 std::unique_ptr<int[]>로 받아 delete[]가 불린다. 다만 보통은 std::vector가 낫다.
삭제자를 바꿔 메모리가 아닌 자원도 맡긴다.

std::unique_ptr<FILE, decltype(&std::fclose)> f(std::fopen("a.txt", "r"), &std::fclose);

get()은 소유권을 유지한 채 원시 포인터를 빌려주고, release()는 소유권을 포기하고 포인터를 넘기며, reset(new T)는 기존 객체를 지우고 새 객체를 맡는다.

shared_ptr: 참조 카운트로 공유

auto a = std::make_shared<Config>();   // 카운트 1
{
    std::shared_ptr<Config> b = a;     // 카운트 2
}                                      // b 소멸 → 카운트 1
a.reset();                             // 카운트 0 → Config 소멸

shared_ptr은 객체 포인터와 제어 블록(control block) 포인터, 두 개를 들고 있다. 제어 블록에는 강한 참조 수(소유자 수), 약한 참조 수(weak_ptr 수), 삭제자가 들어 있다. 강한 참조 수가 0이 되면 객체를, 약한 참조 수까지 0이 되면 제어 블록을 해제한다.

만드는 법	할당	특징
`std::make_shared<T>(args...)`	객체와 제어 블록을 한 번에	할당이 한 번이고 캐시에 유리하다. 기본 선택
`std::shared_ptr<T>(new T(args...))`	객체, 제어 블록 따로 두 번	커스텀 삭제자가 필요할 때

주의할 점:

참조 카운트 증감은 원자적이라 여러 스레드가 각자 복사본을 들고 있어도 안전하다. 가리키는 객체에 대한 접근까지 동기화되는 것은 아니다. 같은 shared_ptr 변수 하나를 여러 스레드가 읽고 쓰려면 C++20의 std::atomic<std::shared_ptr<T>>를 쓴다.
원자적 연산과 제어 블록 때문에 unique_ptr보다 비싸다. 복사가 일어날 때마다 카운트를 바꾸므로, 소유권을 나눌 필요가 없는 함수에는 shared_ptr을 값으로 넘기지 않는다.
같은 원시 포인터로 shared_ptr을 두 번 만들면 제어 블록이 둘 생겨 객체가 두 번 지워진다. 멤버 함수 안에서 자기 자신의 shared_ptr이 필요하면 this로 새로 만들지 말고 std::enable_shared_from_this<T>를 상속해 shared_from_this()를 쓴다.

weak_ptr: 순환 참조 끊기

참조 카운트는 서로를 가리키는 객체를 회수하지 못한다. Parent가 Child를, Child가 Parent를 shared_ptr로 들면 바깥 참조가 모두 사라져도 서로의 카운트가 1로 남아 둘 다 새어 나간다. 역방향 하나를 weak_ptr로 바꾸면 고리가 끊긴다.

struct Parent;
struct Child {
    std::weak_ptr<Parent> parent;          // 소유하지 않는 역참조
    void notify();
};
struct Parent {
    std::vector<std::shared_ptr<Child>> children;
    void onChildChanged();
};
 
void Child::notify() {
    if (auto p = parent.lock()) {          // 살아 있으면 shared_ptr, 아니면 빈 포인터
        p->onChildChanged();
    }
}

weak_ptr은 객체를 직접 역참조할 수 없다. lock()으로 그 순간에만 유효한 shared_ptr을 얻어 쓰고, expired()로 이미 해제됐는지 확인한다. 캐시, 옵저버 목록처럼 "살아 있으면 쓰고, 아니면 무시한다"는 관계에도 쓴다. 순환을 따로 수집하지 못하는 참조 카운팅의 한계는 프로그램이 실행되기까지의 GC 비교에 있다.

auto_ptr은 이동 의미론이 없던 C++98에서 단독 소유를 표현하려고 복사 생성자가 소유권을 옮기게 만들었다. auto_ptr<T> b = a; 뒤에 a는 조용히 null이 되고, 복사가 원본을 바꾸므로 std::vector나 정렬 알고리즘에 넣으면 원소가 사라졌다. C++11은 복사와 이동을 문법으로 구분해 unique_ptr을 만들었고, auto_ptr은 C++11에서 폐기 예정, C++17에서 표준에서 빠졌다.

무엇을 쓰고 어떻게 넘기나

상황	선택
힙 객체의 소유자가 하나	`unique_ptr` (기본값)
소유자가 여럿이고 누가 마지막일지 모른다	`shared_ptr`
소유하지 않고 관찰만, 순환을 끊어야 한다	`weak_ptr`
함수가 객체를 쓰기만 하고 수명에 관심이 없다	`T&` 또는 `T*`(없을 수 있으면). 스마트 포인터를 넘기지 않는다
함수에 소유권을 넘긴다	`std::unique_ptr<T>`를 값으로 받는다. 호출자는 `std::move`
함수가 소유권을 나눠 갖는다	`std::shared_ptr<T>`를 값으로 받는다

함수가 const std::shared_ptr<T>&나 std::unique_ptr<T>&를 받는 것은 "이 함수는 특정 스마트 포인터 종류에 묶인다"는 뜻이라, 스마트 포인터 자체를 바꾸거나 다시 넘길 때만 쓴다. 원시 포인터는 이제 소유하지 않는다는 표시로만 남는다.

정리

스마트 포인터는 힙 객체의 해제를 소멸자에 묶는 RAII 래퍼이고, 소유권을 타입으로 드러낸다.
unique_ptr은 이동만 되는 단독 소유이고 비용이 원시 포인터와 같다. make_unique로 만든다.
shared_ptr은 제어 블록의 참조 카운트로 공유한다. 카운트는 원자적이지만 객체 접근은 동기화되지 않는다. make_shared로 만든다.
순환 참조는 한쪽을 weak_ptr로 바꿔 끊고, 쓸 때는 lock()으로 확인한다.
auto_ptr은 복사가 소유권을 옮기는 설계 때문에 C++17에서 제거됐다.
기본은 unique_ptr, 소유하지 않는 인자는 참조나 원시 포인터다.

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