변수와 가변성

2장에서는 거의 모든 프로그래밍 언어에 있는 개념인 변수, 기본 타입, 함수, 주석, 제어 흐름이 러스트에서 어떻게 동작하는지 살펴봅니다. 러스트에만 있는 개념은 아니지만, 러스트가 이 개념들에 정해 둔 규칙은 모든 러스트 프로그램에 쓰이므로 일찍 익혀 두면 뒤의 코드를 읽기가 쉬워집니다.

러스트에도 다른 언어처럼 언어가 쓰려고 예약해 둔 키워드(keyword)가 있으며, 키워드는 변수나 함수의 이름으로 쓸 수 없습니다. 대부분의 키워드는 특별한 뜻이 있어 앞으로 하나씩 쓰게 되고, 몇몇은 아직 기능이 없지만 나중에 쓰려고 예약되어 있습니다. 키워드 목록은 부록 A 키워드에 있습니다.

이 글에서는 변수가 기본으로 불변인 까닭과 mut으로 가변 변수를 만드는 방법, 상수, 그리고 같은 이름으로 새 변수를 만드는 섀도잉을 비교합니다.

불변 변수와 가변 변수

추리 게임에서 보았듯이 러스트의 변수는 기본으로 불변(immutable)입니다. 이름에 한 번 값을 묶으면 그 값을 바꿀 수 없다는 뜻입니다. cargo new variables로 새 프로젝트를 만들고 src/main.rs를 다음 코드로 바꿔 확인해 봅니다. 이 코드는 컴파일되지 않습니다.

fn main() {
    let x = 5;
    println!("The value of x is: {x}");
    x = 6;
    println!("The value of x is: {x}");
}

cargo run으로 실행하면 컴파일러가 다음 오류를 냅니다. 이 오류는 실행 중이 아니라 컴파일 단계에서 나므로, 실행 파일이 만들어지지 않고 첫 println!도 실행되지 않습니다.

error[E0384]: cannot assign twice to immutable variable `x`
 --> src/main.rs:4:5
  |
2 |     let x = 5;
  |         - first assignment to `x`
3 |     println!("The value of x is: {x}");
4 |     x = 6;
  |     ^^^^^ cannot assign twice to immutable variable
  |
help: consider making this binding mutable
  |
2 |     let mut x = 5;
  |         +++

E0384는 불변 변수에 값을 두 번 대입할 수 없다는 오류입니다. 메시지는 처음 값을 넣은 2번째 줄과, 다시 대입하려 한 4번째 줄을 함께 짚고, 2번째 줄에 mut을 붙이면 된다는 도움말까지 보여 줍니다. 오류 메시지의 세부 모양은 컴파일러 버전에 따라 조금씩 다를 수 있습니다.

컴파일러가 이 상황을 오류로 막는 데는 까닭이 있습니다. 코드의 한 부분은 어떤 값이 바뀌지 않는다고 믿고 동작하는데 다른 부분이 그 값을 바꾼다면, 앞부분은 의도대로 동작하지 않을 수 있습니다. 이런 오류는 특히 값을 가끔씩만 바꿀 때 원인을 찾기 어렵습니다. 러스트에서는 값이 바뀌지 않는다고 적으면 컴파일러가 정말로 바뀌지 않게 지켜 주므로, 코드를 읽을 때 그 값이 어디서 바뀌는지 따로 추적할 필요가 없습니다.

그래도 값을 바꿀 수 있으면 편할 때가 많습니다. 변수 이름 앞에 mut을 붙이면 가변(mutable) 변수가 되며, mut은 코드를 읽는 사람에게도 이 변수의 값이 뒤에서 바뀐다는 뜻을 알려 줍니다.

fn main() {
    let mut x = 5;
    println!("The value of x is: {x}");
    x = 6;
    println!("The value of x is: {x}");
}

The value of x is: 5
The value of x is: 6

mut 덕분에 x의 값을 5에서 6으로 바꿀 수 있었습니다. 다만 mut은 같은 변수에 다시 대입할 수 있게 할 뿐, 변수의 타입을 바꾸게 해 주지는 않습니다. x는 처음 값 5로 정수 타입이 정해졌으므로, 다시 대입하는 값도 같은 타입이어야 합니다. 불변과 가변 가운데 무엇을 쓸지는 상황에 따라 어느 쪽이 더 분명한지로 정하며, 바꿀 필요가 없는 값은 불변으로 두는 것이 러스트의 기본입니다.

상수

상수(constant)도 불변 변수처럼 이름에 묶인 값을 바꿀 수 없지만, 몇 가지가 다릅니다. 상수에는 mut을 붙일 수 없고 언제나 불변이며, let 대신 const 키워드로 선언하고 값의 타입을 반드시 적어야 합니다. 타입과 타입 표기는 다음 글 데이터 타입에서 다루므로, 지금은 상수에는 항상 타입을 적는다는 것만 기억하면 됩니다.

const THREE_HOURS_IN_SECONDS: u32 = 60 * 60 * 3;

상수의 이름은 THREE_HOURS_IN_SECONDS이고, 값은 1분의 초 60과 1시간의 분 60, 그리고 시간 수 3을 곱한 10800입니다. 러스트에서는 상수 이름을 모두 대문자로 쓰고 단어 사이를 밑줄로 잇는 것이 관례입니다. 상수의 값을 구하는 식은 컴파일할 때 계산되므로, 런타임에야 알 수 있는 값은 쓸 수 없습니다. 그 대신 10800이라고 바로 적지 않고 60 * 60 * 3처럼 값의 뜻이 드러나는 식으로 쓸 수 있으며, 상수에 쓸 수 있는 연산은 Reference의 상수 평가에 정리되어 있습니다.

상수는 main 같은 함수 밖의 전역 범위를 포함해 어떤 범위에든 선언할 수 있고, 선언한 범위 안에서 프로그램이 실행되는 동안 언제나 쓸 수 있습니다. 그래서 게임에서 플레이어가 얻을 수 있는 최대 점수나 빛의 속도처럼 프로그램의 여러 곳이 함께 쓰는 값에 알맞습니다. 코드에 직접 적힌 값에 이름을 붙이면 그 값의 뜻이 드러나고, 나중에 값을 바꿀 때도 한 곳만 고치면 됩니다.

섀도잉

추리 게임에서 보았듯이, 이전 변수와 같은 이름으로 새 변수를 선언할 수 있습니다. 이때 첫 변수가 둘째 변수에 가려졌다(shadowed)고 하며, 그 이름을 쓰면 컴파일러는 둘째 변수를 봅니다. 둘째 변수는 다시 가려지거나 범위가 끝날 때까지 그 이름을 차지합니다.

fn main() {
    let x = 5;

    let x = x + 1;

    {
        let x = x * 2;
        println!("The value of x in the inner scope is: {x}");
    }

    println!("The value of x is: {x}");
}

이 프로그램은 먼저 x에 5를 묶고, let x =를 다시 써서 원래 값에 1을 더한 6을 담은 새 변수 x를 만듭니다. 중괄호로 만든 안쪽 범위에서는 세 번째 let이 또 새 x를 만들어 6에 2를 곱한 12를 담습니다. 이 범위가 끝나면 안쪽의 x도 사라지므로, 그 뒤의 x는 다시 6입니다.

The value of x in the inner scope is: 12
The value of x is: 6

섀도잉은 mut과 다릅니다. let 없이 다시 대입하면 불변 변수이므로 컴파일 오류가 나지만, let으로 새 변수를 만들면 값을 바꾸는 계산을 몇 번 한 뒤에도 결과는 불변으로 남습니다. 또 섀도잉은 새 변수를 만드는 것이므로 같은 이름에 다른 타입의 값을 담을 수 있습니다. 예를 들어 사용자가 입력한 공백 문자열을 받아 그 개수를 숫자로 저장하고 싶다면 다음과 같이 씁니다.

    let spaces = "   ";
    let spaces = spaces.len();

첫 spaces는 문자열 타입이고 둘째 spaces는 숫자 타입이지만, 섀도잉 덕분에 spaces_str과 spaces_num처럼 이름을 둘 만들지 않고 spaces 하나로 쓸 수 있습니다. 그런데 같은 일을 mut으로 하려 하면 컴파일되지 않습니다.

fn main() {
    let mut spaces = "   ";
    spaces = spaces.len();
}

error[E0308]: mismatched types
 --> src/main.rs:3:14
  |
2 |     let mut spaces = "   ";
  |                      ----- expected due to this value
3 |     spaces = spaces.len();
  |              ^^^^^^^^^^^^ expected `&str`, found `usize`

spaces는 처음 값 " "으로 문자열 슬라이스 타입 &str이 되었는데, spaces.len()은 길이를 나타내는 숫자 타입 usize를 돌려주므로 타입이 맞지 않는다는 E0308 오류가 납니다. E0308은 mut에만 해당하는 오류가 아니라, 어떤 자리에 컴파일러가 기대한 타입과 실제 식의 타입이 다를 때마다 나는 오류입니다. mut은 같은 변수의 값을 바꿀 뿐 타입은 바꾸지 못하기 때문에 이 경우에 나타났습니다.

더 깊이: 가려진 변수는 언제 사라질까

섀도잉은 이름을 새 변수에 넘길 뿐, 앞 변수의 값을 그 자리에서 버리지 않습니다. Reference의 소멸자 규칙에 따르면 let으로 선언한 지역 변수는 그 let을 담은 블록의 범위에 속하고, 실행이 그 범위를 벗어날 때 그 범위의 변수들이 선언의 반대 순서로 버려집니다. 가려진 변수도 같은 블록에서 선언된 변수이므로, 이름으로 더는 가리킬 수 없을 뿐 블록이 끝날 때까지 살아 있다가 자신을 가린 새 변수보다 나중에 버려집니다.

그래서 섀도잉으로 큰 값을 일찍 해제할 수는 없습니다. 큰 String을 담은 변수를 같은 이름의 정수로 가려도 그 String의 메모리는 블록이 끝날 때까지 남으며, 일찍 돌려주려면 안쪽 블록을 만들거나 Drop과 자원 정리에서 볼 drop 함수를 부릅니다. 반대로 가려진 값이 살아 있기 때문에, 섀도잉하기 전에 만든 참조는 섀도잉한 뒤에도 쓸 수 있습니다. let r = &s; 다음에 let s = 5;로 s를 가려도, r은 처음의 s를 계속 가리킵니다.

선언 방식 고르기

아래 표는 기본 불변인 let, 같은 변수의 값을 바꾸는 let mut, 같은 이름으로 새 변수를 만드는 섀도잉, 상수인 const를 비교합니다.

값을 바꿀 필요가 없으면 let을 기본으로 쓰고, 같은 값을 계속 고쳐 나가야 하면 let mut을 씁니다. 값을 다른 형태나 타입으로 바꾸는 단계를 거치며 이전 값은 더 쓰지 않는다면 섀도잉이 알맞고, 컴파일할 때 정해지고 여러 곳이 함께 쓰는 값이라면 const로 이름을 붙입니다.

E0384나 E0308을 만났을 때도 이 기준으로 고칠 방법을 고릅니다. 아래 그림처럼 먼저 오류가 가리키는 변수 선언과 대입하는 식, 기대한 타입을 소스에서 찾습니다.

그다음 같은 변수의 값을 바꾸려던 것인지, 다른 값이나 타입의 새 변수가 필요했던 것인지, 아니면 타입을 잘못 적은 것인지를 가립니다. 첫째라면 mut을, 둘째라면 섀도잉을, 셋째라면 타입이나 식을 고치며, mut이 모든 E0308을 해결해 주지는 않는다는 점에 주의합니다. 고친 뒤에는 cargo check로 다시 확인하고, 그 코드의 동작을 검사하는 테스트가 있다면 cargo test까지 실행합니다.

정리

• 러스트의 변수는 기본으로 불변이며, 불변 변수에 다시 대입하면 E0384 오류가 납니다.
• mut을 붙이면 같은 변수에 다시 대입할 수 있지만, 변수의 타입은 바뀌지 않습니다.
• 상수는 const로 선언하고 타입을 반드시 적으며, 값은 컴파일할 때 계산되는 식이어야 합니다.
• 상수 이름은 대문자와 밑줄로 쓰고, 여러 곳이 함께 쓰는 값에 이름을 붙이는 데 씁니다.
• 섀도잉은 같은 이름으로 새 변수를 만들며, 새 변수는 다른 타입일 수 있고 범위가 끝나면 이전 변수가 다시 보입니다.
• E0308은 기대한 타입과 실제 타입이 다를 때 나는 오류이며, mut으로는 타입을 바꿀 수 없습니다.

연습 문제

1. 안쪽과 바깥쪽의 값

섀도잉 예제에서 처음 값을 10으로, 바깥의 두 번째 let을 let x = x + 2;로, 안쪽의 let을 let x = x * 3;으로 바꾸면 두 줄은 각각 무엇을 출력하나요? 안쪽 줄에서 let만 지우면 어떻게 되나요?

2. 고칠 방법 고르기

다음 두 코드는 각각 어떤 오류가 나고, 어떻게 고치는 것이 알맞나요? (가) 반복할 때마다 합계에 값을 더하려고 let total = 0;을 선언한 뒤 total = total + 5;라고 썼다. (나) 문자열로 읽은 입력 let count = "3";을 숫자로 쓰려고 let mut count = "3";으로 바꾼 뒤 count = count.len();이라고 썼다.

3. 상수가 될 수 있을까

다음 가운데 const로 선언할 수 있는 것은 무엇인가요? (가) const MAX_POINTS: u32 = 100_000; (나) const LIMIT = 50; (다) 실행할 때 사용자에게 입력받은 값을 담는 상수.

다음 글 데이터 타입에서는 정수와 부동 소수점 수, 불리언, 문자 같은 스칼라 타입과, 여러 값을 묶는 튜플과 배열을 살펴봅니다.