#12. [레거시 C++ 가이드] 정적 변수와 정적 함수(static), 전역 선언(extern), 개체 수명

2019-01-12 7 분 소요

변수의 수명(유효 범위)은 짧을 수록 좋다. 최대한 임시 개체나 지역 변수로 사용하라.

전역 변수나 정적 전역 변수 보다는 함수내 정적 지역 변수를 사용하라.

컴파일러 최적화가 쉽도록 임시 개체를 사용하라.

모던 C++

(C++11~) 이동 연산을 위해 우측값 참조(&&)가 추가되어 임시 개체 대입시 속도가 향상되었습니다.

(C++17~) 임시 구체화와 복사 생략 보증을 통해 컴파일러 의존적이었던 생성자 호출 및 함수 인수 전달 최적화, 리턴값 최적화등이 표준화 되었습니다.

(C++17~) 인라인 변수가 추가되어 헤더 파일에 정의된 변수를 여러개의 cpp에서 #include 하더라도 중복 정의 없이 사용할 수 있습니다. 또한, 클래스 정적 멤버 변수 정의 및 초기화가 쉬워졌습니다.

(C++20~) constinit가 추가되어 전역 변수, 정적 전역 변수, 정적 멤버 변수를 컴파일 타임에 초기화할 수 있습니다.

개요

일반적으로 메모리 공간을 오랫동안 차지하는 전역 변수나 정적 변수보다는 사용이 끝나면 메모리를 바로 반납하는 임시 개체나 지역 변수가 메모리 관리에 좋습니다. 시스템 자원을 관리하는 등의 수명이 길어야 할 이유가 없다면, 임시 개체나 지역 변수로 작성하시기 바랍니다.

수명 주기에 따라 다음과 같이 변수를 구분할 수 있습니다.

항목	내용	수명
지역 변수	블록 안에서만 사용 가능한 변수	`{` ~ `}` 범위에서 생성과 소멸
전역 변수	모든 파일에서 사용 가능한 변수 제어가 처음으로 정의를 통과할때 생성됨	`main` 호출 ~ `main` 종료
정적 전역 변수	현재 파일에서만 사용할 수 있는 전역 변수	`main` 호출 ~ `main` 종료
멤버 변수	특정 개체에 속하는 변수	개체 생성시 생성자 실행전 초기화 리스트에서 생성 ~ 소멸자 실행 후 종료
정적 멤버 변수	특정 개체에 속하지 않는 변수	`main` 호출 ~ `main` 종료
함수내 정적 지역 변수	함수가 호출되는 시점에 1회만 생성됨	최초 함수 호출 시점 ~ 소멸 시점은 정의되지 않음
임시 개체	명시적으로 작성되지 않은 개체	표현식이 종료되면 소멸

지역 변수

함수의 인자, 함수내 정의된 변수등 블록 유효 범위에서 사용할 수 있는 변수입니다. 블록의 범위를 벗어나면 자동으로 소멸됩니다.(해당 변수가 구조체, 클래스라면 자동으로 소멸자를 호출하므로 자동 변수라고도 합니다.)

이러한 자동 소멸은 스마트 포인터(auto_ptr, unique_ptr, shared_ptr 등)나 Holder의 개념으로 많이 활용되니 잘 기억해 두시기 바랍니다.

void f() {
    int a; // 함수 블록을 벗어나면 자동으로 소멸됩니다.
}

전역 변수

전역 변수는 모든 파일에서 사용할 수 있는 변수입니다. 하지만, 캡슐화 도 안되고, 괜히 미리 생성해 두기 때문에 제로 오버헤드 원칙도 위반합니다.

여러 파일에서 사용할 경우에는 다음처럼 extern을 사용하여 선언해 줘야 합니다.

// global.h에서
extern int g_Val; // 요렇게 선언하면 사용할 수 있습니다.

// global.cpp에서
int g_Val = 10; // 전역 변수 정의

// 여기저기 파일에서
#include "global.h"

정적 전역 변수

정적 전역 변수는 현재 파일에서만 사용 가능한 전역 변수 입니다.

namespace {
    static int s_Val = 10; // 현재 파일에서 사용 가능  
}
TEST(TestClassicCpp, Static) {
    EXPECT_TRUE(s_Val == 10);
}

멤버 변수

구조체, 클래스 등에서 사용하는 변수 입니다. 개체의 데이터를 관리하며, 생성자 본문 실행전 초기화 리스트에서 생성되고, 소멸자 본문 실행 후 소멸됩니다.

class Date {
    int m_Year;
    int m_Month;
    int m_Day;
public:
    Date(int year, int month, int day) :
        m_Year(year), // 생성자 본문 실행전 초기화 리스트에서 생성됩니다.
        m_Month(month), 
        m_Day(day) {}
    ~Date() {} // 소멸자 본문 실행 후 소멸됩니다.
};

정적 멤버 변수

멤버 변수에 static을 사용하여 특정 개체에 속하지 않는 정적 멤버 변수를 정의 할 수 있습니다. (단, 중첩 클래스와 함수 내부의 로컬 클래스는 정적 멤버 변수를 가질 수 없습니다.)

선언과 정의의 분리가 필요하기 때문에, 선언 외부에서 초기값을 세팅해야 합니다.(단, static const 인 정적 상수 멤버 변수는 변수 선언에서 초기화를 할 수 있습니다.)

// 선언에서
class T {
public:
    static int s_Val1; // 선언과 정의 분리 필요. 외부에서 초기값이 세팅되어야 함
    // static int s_Val1 = 10; // (X) 컴파일 오류. const만 클래스 선언에서 초기화 지원
    static const int s_Val2 = 20; // const 인 경우 클래스 선언에서 초기화 지원
};

// 선언 외부에서
int T::s_Val1 = 10; // 초기값 세팅

TEST(TestClassicCpp, Static) {
    EXPECT_TRUE(T::s_Val1 == 10);
    EXPECT_TRUE(T::s_Val2 == 20);
}

정적 멤버 변수 보다는 선언과 정의를 동시에 하고, 함수 호출시에 1회 생성되는 함수내 정적 지역 변수를 사용하는게 더 좋습니다.

(C++17~) 인라인 변수가 추가되어 헤더 파일에 정의된 변수를 여러개의 cpp에서 #include 하더라도 중복 정의 없이 사용할 수 있습니다. 또한, 클래스 정적 멤버 변수 정의 및 초기화가 쉬워졌습니다.
(C++20~) constinit가 추가되어 전역 변수, 정적 전역 변수, 정적 멤버 변수를 컴파일 타임에 초기화할 수 있습니다.

정적 변수의 초기화 순서

전역 변수, 정적 전역 변수, 정적 멤버 변수는 프로그램이 실행될때 생성되고, 종료할때 소멸됩니다. 다만, 정확히 언제 생성되고 초기화될지는 모호합니다.

보통은 정의 순서대로 생성되고 초기화됩니다.

int g_X = 10; // 전역 변수
int g_Y = g_X; // 전역 변수

하지만 여러 cpp 파일로 파일을 구성했다면, 어떤 파일을 먼저 링크하냐에 따라 초기화 값이 달라질 수 있습니다.

다음은 g_A이 런타임에 초기화될 경우, 링크 순서에 따라 g_B의 값이 달라지는 예입니다.

// Test_A.cpp에서
int f() {return 10;}
int g_A = f(); // 전역 변수. 런타임에 f() 함수를 이용해서 초기화 합니다.

// Test_B.cpp에서
#include <iostream>

extern int g_A;
int g_B = g_A; // (△) 비권장. 컴파일 단계에선 일단 0으로 초기화 하고, 나중에 링크 단계에서 g_A의 값으로 초기화 합니다.
               // g_A가 초기화 되었다는 보장이 없기에 링크 순서에 따라 0 또는 10이 됩니다.

int main() {
    std::cout << "g_A : " << g_A << std::endl;
    std::cout << "g_B : " << g_B << std::endl;

    return 0;
}

다음은 상기 2개 파일의 링크 순서를 바꿔서 실행한 결과 입니다. 링크 순서에 따라 g_B의 값이 다른 것을 알 수 있습니다.

F:\Data\language_test\test\static>g++ -c Test_A.cpp 
F:\Data\language_test\test\static>g++ -c Test_B.cpp  
F:\Data\language_test\test\static>g++ Test_A.o Test_B.o -o g_A
F:\Data\language_test\test\static>g_A
g_A : 10
g_B : 0 // Test_A와 Test_B의 순서로 링크하니 0입니다.

F:\Data\language_test\test\static>g++ Test_B.o Test_A.o -o g_B
F:\Data\language_test\test\static>g_B
g_B : 10
g_B : 10 // Test_B와 Test_A의 순서로 링크하니 10입니다.

이러한 문제 때문에 전역 변수, 정적 전역 변수, 정적 멤버 변수가 서로간의 정의 순서에 종속적으로 생성되고 초기화되는건 좋지 않습니다. 유지보수 하다보면 아주 손쉽게 망가지거든요. 그러니 함수내 정적 지역 변수를 사용하세요.

(C++20~) constinit가 추가되어 전역 변수, 정적 전역 변수, 정적 멤버 변수를 컴파일 타임에 초기화할 수 있습니다.

함수내 정적 지역 변수

함수내의 정적 지역 변수는 함수가 호출될 때 최초 1회만 생성되고, 초기화되는 특징을 가지고 있습니다. 전역 변수, 정적 전역 변수, 정적 멤버 변수 대신 사용하면, 언제 생성되는지 좀더 명시적으로 알 수 있습니다. 또한, 클래스의 정적 멤버 함수와 함께 사용하면, 전역 자원을 캡슐화하기도 좋습니다.

하기 코드를 보면 GetVal() 함수를 여러번 호출하더라도 val 변수는 1회만 초기화 됩니다. 이 특징을 이용하면, 1회만 생성되는 Sigleton 개체를 손쉽게 만들 수 있습니다.

class T {
public:
    static int GetVal() {
        static int s_Val = 30; // 최초 1회 초기화됩니다.
        ++s_Val; // 호출시마다 증가합니다.
        return s_Val;
    }
};

EXPECT_TRUE(T::GetVal() == 31); // 1회 호출
EXPECT_TRUE(T::GetVal() == 32); // 2회 호출
EXPECT_TRUE(T::GetVal() == 33); // 3회 호출

또한 정적 변수의 초기화 순서를 제어하는데에도 유용합니다.

다음 코드에서 B는 A를 이용해서 생성하고, C는 B를 이용해서 생성되는데요, 함수내의 정적 지역 변수이다 보니 GetInstance()함수가 호출될때 최초 1회만 생성됨을 보장합니다. 따라서 사용하는 개체가 생성되어 초기화됨을 보장합니다.

또한,

explicit를 사용하여 형변환을 차단했습니다.
private 생성자를 사용하여 GetInstance() 함수로만 생성할 수 있게 했습니다.

class A {
private:
    A() {} // private여서 외부에서 생성할 수 없습니다.
public:
    static A& GetInstance() {
        static A s_A;
        return s_A;
    }    
};
class B {
private:
    explicit B(A) {} // private여서 외부에서 생성할 수 없습니다. A로부터 생성됩니다.
public:
    static B& GetInstance() {
        static B s_B(A::GetInstance()); // A::GetInstance()로 A개체는 반드시 생성되고 초기화 됨을 보장합니다.
        return s_B;
    } 
};
class C {
private:
    explicit C(B) {} // private여서 외부에서 생성할 수 없습니다. B로부터 생성됩니다.
public:
    static C& GetInstance() {
        static C s_C(B::GetInstance()); // B::GetInstance()로 B개체는 반드시 생성되고 초기화 됨을 보장합니다.
        return s_C;
    } 

};
A& g_A = A::GetInstance();
B& g_B = B::GetInstance();
C& g_C = C::GetInstance(); 

임시 개체

표현식 내에서 임시적으로 생성되는 개체 입니다. 표현식이 종료되면 함께 소멸됩니다. 다만, 복사 연산을 하여 다른 이름 있는 개체에 복사하거나, const T&로 참조하면 사용할 수 있습니다.

class T {};

T(); // 임시 개체 T()가 생성되고 아무곳에서도 사용하지 않았으므로 소멸됩니다.
T a = T(); // 임시 개체 T()가 생성되고 a에 복사 생성합니다. 다만 컴파일러 최적화에 의해 생성자를 1회 호출하기는 합니다.
T& b = T(); // (X) 컴파일 오류. 임시 개체는 소멸되었으므로 참조할 수 없습니다.
const T& c = T(); // const로 사용하면 수명이 연장됩니다.

다음 코드는 코드를 간결히 작성하기 위해 표현식으로 사용했지만, 내부적으로 임시 개체를 생성합니다.

class T {
public:
    static int f(int x) {
        return x * x; // 리턴시 임시 개체 생성
    }
};

int result = T::f(1 + 1); // 인수를 인자에 전달시 임시 개체 생성

는 사실 다음과 같습니다.

class T {
public:
    static int f(int x) {
        int temp = x * x; // 임시 개체 생성하여 리턴합니다.
        return temp; 
    }
};

int temp = 1 + 1; // 임시 개체를 생성하여 함수에 전달합니다.
int result = T::f(temp); 

이러한 임시 개체는 컴파일러 최적화에 따라, 생성될 수도 있고, 생성되지 않을 수도 있습니다.

따라서, 명시적으로 변수를 만들기 보다는

int temp = 1 + 1; // (△) 비권장. 컴파일러가 최적화를 못할 수도 있습니다.
int result = T::f(temp); 

다음처럼 표현식을 그대로 사용하는게 추후 컴파일러 최적화에 도움이 됩니다.

int result = T::f(1 + 1); // (O) 컴파일러가 최적화하기 편합니다.

또한 암시적으로 형변환된다면 불필요하게 임시 개체가 생성될 수도 있으니, 암시적 형변환은 잘 차단해야 합니다.

(C++11~) 이동 연산을 위해 우측값 참조(&&)가 추가되어 임시 개체 대입시 속도가 향상되었습니다.
(C++17~) 임시 구체화와 복사 생략 보증을 통해 컴파일러 의존적이었던 생성자 호출 및 함수 인수 전달 최적화, 리턴값 최적화등이 표준화 되었습니다.

Twitter Facebook LinkedIn