동적 메모리 할당

C++의 new 표현식은 실행 중에 저장 공간을 얻고 그곳에 객체를 생성할 수 있게 합니다. 이 방식으로 만든 객체는 동적 저장 기간(dynamic storage duration)을 가지며, 흔히 “힙에 만든다”고 표현합니다.

핵심은 주소 그 자체가 아니라 객체의 수명과 저장 공간을 누가 소유하고 언제 정리하는가입니다. 포인터 변수는 주소를 보관할 뿐이며, 포인터에 nullptr를 대입하거나 포인터 변수가 범위를 벗어난다고 해서 가리키던 객체가 자동으로 파괴되지는 않습니다.

현대 C++ 애플리케이션 코드에서는 직접 new와 delete를 짝짓기보다 std::vector, std::string, std::unique_ptr 같은 RAII 타입을 기본으로 사용합니다. 다만 수동 관리의 규칙을 알아야 기존 코드와 저수준 API를 정확히 읽을 수 있습니다.

이 절에서는 앞에서 배운 raw 포인터 규칙에 “소유자”를 추가합니다. 뒤의 auto는 초깃값으로 변수 타입을 정하는 문법이며, make_unique<int>(42)는 int 값 42를 만들고 그것을 정리할 소유 객체를 돌려줍니다. 클래스의 소멸자 문법을 아직 몰라도, 이 소유 객체가 정상적으로 범위를 벗어나거나 예외로 되감길 때 정리한다는 계약을 먼저 따라갈 수 있습니다. try/catch의 문법은 예외 처리에서 이어집니다.

동적 저장 공간이 필요한 경우

실행 중에 원소 수가 결정되거나, 객체의 소유권을 다른 범위로 옮겨야 하거나, 저수준 인터페이스가 직접 할당을 요구할 때 동적 저장 공간이 필요할 수 있습니다.

• 실행 중 결정되는 연속 원소 묶음은 보통 std::vector<T>로 소유합니다.
• 문자열은 보통 std::string으로 소유합니다.
• 단일 객체의 독점 소유권은 보통 std::unique_ptr<T>로 표현합니다.
• raw 포인터 T*는 소유권을 나타내지 않는 관찰자나 C API 경계에서 제한적으로 사용하는 편이 안전합니다.

동적 저장 기간은 소스 코드의 중괄호 범위와 직접 연결되지 않습니다. 그렇다고 “반드시 delete할 때까지 또는 프로그램 종료까지 같은 상태로 남는다”는 뜻은 아닙니다. 객체 수명과 저장 공간의 상태는 수행한 생성·파괴·해제 연산과 프로그램의 실행 경로에 따라 판단해야 합니다.

new 표현식은 저장 공간을 얻고 객체를 만든다

new 표현식은 필요한 저장 공간을 할당한 뒤 그 공간에서 객체를 초기화하고, 생성된 객체를 가리키는 포인터 값을 반환합니다.

T* one = new T(arguments);   // 단일 T 객체 생성
T* many = new T[count]{};    // T 객체 count개로 이루어진 배열 생성

단일 객체와 배열은 해제 표현식의 짝이 다릅니다.

#include <cstddef>
#include <iostream>

int main() {
    int* value = new int{42};
    std::cout << *value << '\n';
    delete value;          // new int{42}와 짝
    value = nullptr;

    constexpr std::size_t count = 3;
    int* values = new int[count]{10, 20, 30};
    std::cout << values[1] << '\n';
    delete[] values;       // new int[count]와 짝
    values = nullptr;
}

new T에는 delete, new T[n]에는 delete[]를 사용합니다. 어떤 해제 표현식을 쓸지는 포인터 변수의 표면적인 타입만 보고 정하는 것이 아니라, 그 저장 공간을 만든 할당 형태에 맞춰 정합니다.

할당 실패는 기본적으로 예외로 알린다

일반적인 new 표현식은 저장 공간을 얻지 못하면 널 포인터를 반환하는 대신 std::bad_alloc 예외를 던집니다. 배열 길이가 구현 한계를 넘는 경우에는 std::bad_array_new_length가 던져질 수도 있으며, 이 예외는 std::bad_alloc에서 파생됩니다.

따라서 기본 new의 결과를 단순히 nullptr와 비교하는 코드는 할당 실패 처리가 되지 않습니다. 널 반환 동작이 꼭 필요한 특수한 코드만 <new>의 std::nothrow 형태를 명시적으로 선택합니다.

#include <cstddef>
#include <iostream>
#include <memory>
#include <new>

int main() {
    const std::size_t count = 1'000;

    try {
        auto values = std::make_unique<int[]>(count);
        values[0] = 42;
        std::cout << values[0] << '\n';
    } catch (const std::bad_alloc& error) {
        std::cerr << "메모리 할당 실패: " << error.what() << '\n';
        return 1;
    }
}

예외를 잡은 뒤 실제로 복구할 방법이 없다면, 무조건 현장에서 잡기보다 상위 계층에 전파하여 일관된 오류 정책으로 처리하는 편이 낫습니다. 위 예제의 std::unique_ptr는 할당 이후 다른 연산에서 예외가 발생하더라도 정상적인 스택 되감기 과정에서 소유한 배열을 정리합니다.

delete는 객체 수명과 저장 공간을 함께 정리한다

단일 객체에 대한 올바른 delete 표현식은 객체의 소멸자를 실행해 수명을 끝낸 뒤 대응하는 저장 공간을 해제합니다. delete[]는 동적으로 만든 배열의 원소들을 파괴한 뒤 배열 저장 공간을 해제합니다.

int* ptr = nullptr;처럼 널 포인터 값을 저장한 포인터에 delete ptr; 또는 delete[] ptr;를 적용하면 파괴할 대상 객체가 없습니다. 반대로 다음 연산은 정의되지 않은 동작(undefined behavior)입니다.

• 이미 해제된 대상을 다시 delete하는 이중 해제
• new와 delete[], 또는 new[]와 delete를 섞는 짝 불일치
• 해제된 객체를 가리키는 포인터를 간접 참조하거나 다시 해제하는 사용
• 올바른 new 표현식에서 얻지 않은 주소를 delete하는 사용

정의되지 않은 동작은 반드시 즉시 충돌한다는 뜻이 아닙니다. 우연히 실행되는 것처럼 보여도 결과를 신뢰할 수 없습니다.

nullptr는 한 포인터만 지운다

여러 포인터가 같은 객체를 가리킬 수 있습니다. 한 포인터로 객체를 해제하면 그 객체의 수명은 끝나지만, 다른 포인터 변수의 비트가 자동으로 nullptr로 바뀌지는 않습니다.

int* owner = new int{7};
int* alias = owner;       // 같은 객체를 가리키는 별칭

delete owner;             // 객체 수명 종료와 저장 공간 해제
owner = nullptr;          // owner 하나만 널 포인터로 바뀜

// alias는 자동으로 바뀌지 않으며 더 이상 유효한 객체를 가리키지 않는다.
// *alias = 9;            // 정의되지 않은 동작
// delete alias;          // 이중 해제: 정의되지 않은 동작
alias = nullptr;          // 사용하지 않도록 이 변수도 따로 정리

해제 직후 소유 포인터를 nullptr로 바꾸는 습관은 같은 변수의 우발적인 재사용을 줄일 수 있지만, 모든 별칭을 고쳐 주거나 소유권 설계를 대신하지는 않습니다. 가장 중요한 예방책은 소유자를 하나의 RAII 객체로 표현하고, 다른 raw 포인터가 그 소유자보다 오래 살아남지 않게 하는 것입니다.

수동 관리가 실패하는 경로

std::vector<int> values(count);
std::string label = "dynamic values";
auto answer =
    std::make_unique<int>(42);

int* view = answer.get();
// answer보다 짧게 사용한다.

std::vector<int> values(count);
std::string label = "dynamic values";
auto answer =
    std::make_unique<int>(42);

int* view = answer.get();
// answer보다 짧게 사용한다.

수동 할당 코드는 성공 경로보다 예외와 조기 반환 경로에서 더 쉽게 깨집니다.

void process(bool stopEarly) {
    int* value = new int{42};

    if (stopEarly) {
        return;           // delete value를 건너뛰어 누수
    }

    delete value;
}

해제 코드를 모든 분기마다 복제하면 새 분기나 예외 경로를 추가할 때 빠뜨리기 쉽습니다. 이 문제를 구조적으로 해결하는 방식이 RAII(Resource Acquisition Is Initialization)입니다.

현대 C++의 기본 선택은 RAII다

RAII 타입은 자원의 소유권을 객체에 묶습니다. 자동 저장 기간을 가진 소유 객체가 정상적으로 범위를 벗어나거나 예외로 스택이 되감기면 소멸자가 실행되어 자원을 정리합니다.

#include <cstddef>
#include <memory>
#include <string>
#include <vector>

void process(std::size_t count, bool stopEarly) {
    std::vector<int> values(count);          // 실행 중 정한 크기의 배열
    std::string label = "dynamic values";  // 소유 문자열
    auto answer = std::make_unique<int>(42);

    if (stopEarly || values.empty()) {
        return; // 세 객체의 소멸자가 각 자원을 정리
    }

    values.front() = *answer;
}

선택 기준은 다음과 같습니다.

1. 크기가 실행 중 결정되는 연속 원소는 먼저 std::vector<T>를 고려합니다.
2. 소유 문자열은 std::string을 사용합니다.
3. 단일 객체의 독점 소유권은 std::make_unique<T>로 만듭니다.
4. 정말 배열 형태의 독점 소유권이 필요하면 std::unique_ptr<T[]>를 사용할 수 있지만, 크기와 반복 처리가 필요한 일반적인 경우에는 std::vector<T>가 더 적합합니다.
5. 직접 new와 delete가 필요한 저수준 경계에서는 소유자, 정확한 할당 형태, 모든 종료 경로를 코드와 문서에 함께 표시합니다.

동적 메모리 관리의 목표는 delete를 잘 기억하는 것이 아니라, 누가 소유하는지 타입으로 드러내어 수동 해제를 잊을 기회를 없애는 것입니다.

실행 경로를 바꾸어 보기

다음 main은 위의 RAII process를 조금 줄여, 원소 개수와 조기 반환을 출력으로 확인하는 별도의 완전한 프로그램입니다. unique_ptr가 소유한 int를 vector에 값으로 복사할 뿐 소유권을 옮기지는 않습니다.

#include <cstddef>
#include <iostream>
#include <memory>
#include <vector>

void process(std::size_t count, bool stopEarly) {
    std::vector<int> values(count);
    auto answer = std::make_unique<int>(42);
    if (stopEarly || values.empty()) {
        std::cout << "skip\n";
        return;
    }
    values.front() = *answer;
    std::cout << values.size() << " " << values.front() << "\n";
}

int main() {
    process(3, false);
    process(0, false);
    process(3, true);
}

출력은 3 42, skip, skip의 세 줄입니다. count=0은 빈 vector를 만들 수 있지만 front에는 접근할 수 없어서 먼저 반환합니다. 세 호출 모두 정상적으로 범위를 벗어날 때 answer와 values가 각자 소유한 자원을 정리합니다. 출력만으로 모든 해제가 관측되는 것은 아니며, 이 판단은 소유 타입과 실행 경로의 계약에 근거합니다.

해제 뒤 별칭 판단하기

위 owner/alias 예제에서 delete owner 직후에는 살아 있는 int가 남아 있나요? owner=nullptr까지 실행한 뒤 alias를 다시 delete하면 정리가 더 안전해지나요? 이 판단은 문제가 되는 간접 참조나 이중 해제를 실제 실행하지 않고 설명하세요.