이번 강좌에서는

• move 문법 (move semantics)

• 완벽한 전달 (perfect forwarding)

• 레퍼런스 겹침 (reference collapsing)

등에 대해 다룹니다.

안녕하세요 여러분! 지난번의 우측값 레퍼런스 강의는 어떠셨나요? 우측값 레퍼런스를 통해서, 기존에는 불가능하였던 우측값에 대한 복사가 아닌 이동의 구현이 가능하게 되었습니다.

하지만, 만약에 좌측값도 이동을 시키고 싶다면 어떨까요? 예를 들어서 아래와 같이 두 변수의 값을 바꾸는 swap 함수를 생각해보세요.

template <typename T>
void my_swap(T &a, T &b) {
  T tmp(a);
  a = b;
  b = tmp;
}

위 my_swap 함수에서 tmp 라는 임시 객체를 생성한 뒤에, b 를 a 에 복사하고, b 에 a 를 복사하게 됩니다. 문제는 무려 복사를 쓸데없이 3 번이나 한다는 점입니다. 예를 들어서 T 가 MyString 인 경우를 생각해봅시다.

#include <iostream>
#include <cstring>

class MyString {
  char *string_content;  // 문자열 데이터를 가리키는 포인터
  int string_length;     // 문자열 길이

  int memory_capacity;  // 현재 할당된 용량

 public:
  MyString();

  // 문자열로 부터 생성
  MyString(const char *str);

  // 복사 생성자
  MyString(const MyString &str);

  // 이동 생성자
  MyString(MyString &&str);

  MyString &operator=(const MyString &s);
  ~MyString();

  int length() const;

  void println();
};

MyString::MyString() {
  std::cout << "생성자 호출 ! " << std::endl;
  string_length = 0;
  memory_capacity = 0;
  string_content = NULL;
}

MyString::MyString(const char *str) {
  std::cout << "생성자 호출 ! " << std::endl;
  string_length = strlen(str);
  memory_capacity = string_length;
  string_content = new char[string_length];

  for (int i = 0; i != string_length; i++) string_content[i] = str[i];
}
MyString::MyString(const MyString &str) {
  std::cout << "복사 생성자 호출 ! " << std::endl;
  string_length = str.string_length;
  string_content = new char[string_length];

  for (int i = 0; i != string_length; i++)
    string_content[i] = str.string_content[i];
}
MyString::MyString(MyString &&str) {
  std::cout << "이동 생성자 호출 !" << std::endl;
  string_length = str.string_length;
  string_content = str.string_content;
  memory_capacity = str.memory_capacity;

  // 임시 객체 소멸 시에 메모리를 해제하지
  // 못하게 한다.
  str.string_content = nullptr;
}
MyString::~MyString() {
  if (string_content) delete[] string_content;
}

MyString &MyString::operator=(const MyString &s) {
  std::cout << "복사!" << std::endl;
  if (s.string_length > memory_capacity) {
    delete[] string_content;
    string_content = new char[s.string_length];
    memory_capacity = s.string_length;
  }
  string_length = s.string_length;
  for (int i = 0; i != string_length; i++) {
    string_content[i] = s.string_content[i];
  }

  return *this;
}
int MyString::length() const { return string_length; }
void MyString::println() {
  for (int i = 0; i != string_length; i++) std::cout << string_content[i];

  std::cout << std::endl;
}
template <typename T>
void my_swap(T &a, T &b) {
  T tmp(a);
  a = b;
  b = tmp;
}

int main() {
  MyString str1("abc");
  MyString str2("def");
  std::cout << "Swap 전 -----" << std::endl;
  str1.println();
  str2.println();

  std::cout << "Swap 후 -----" << std::endl;
  my_swap(str1, str2);
  str1.println();
  str2.println();
}

성공적으로 컴파일 하였다면

실행 결과

생성자 호출 ! 
생성자 호출 ! 
Swap 전 -----
abc
def
Swap 후 -----
복사 생성자 호출 ! 
복사!
복사!
def
abc

와 같이 나옵니다.

template <typename T>
void my_swap(T &a, T &b) {
  T tmp(a);
  a = b;
  b = tmp;
}

위 my_swap 함수를 살펴봅시다. 일단, 첫번째 줄에서, a 가 좌측값이기 때문에 tmp 의 복사 생성자가 호출됩니다. 따라서 1 차적으로 a 가 차지하는 공간 만큼 메모리 할당이 발생한 후 a 의 데이터가 복사됩니다.

a = b;

두 번째로 a = b; 에서 2 차적으로 복사가 발생합니다. 그리고 마지막으로,

b = tmp;

에서 또 한번 문자열 전체의 복사가 이루어지게 됩니다. 무려 swap 을 하기 위해 문자열 전체 복사를 3번이나 해야 합니다. 아래 그림처럼 말입니다.

하지만 우리는 굳이 문자열 내용을 복사할 필요 없이 각 MyString 객체의 string_content 주소값만 서로 바꿔주면 되는 것을 알고 있습니다. (물론 string_length 와 memory_capacity 도 바꿔야겠지만, 이들은 단순히 4바이트 int 복사 이기 때문에 속도에 영향을 주지는 않습니다).

하지만 위를 my_swap 에서 구현하기 위해서는 여러가지 문제가 있습니다. 일단 첫번째로 my_swap 함수는 임의의 타입을 받는 함수 (Generic) 입니다. 다시 말해,

template <typename T>
void my_swap(T &a, T &b)

위 함수가 일반적인 타입 T 에 대해 작동해야 한다는 의미이지요. 하지만 위 string_content 의 경우 MyString 에만 존재하는 필드이기 때문에 일반적인 타입 T 에 대해서는 작동하지 않습니다. 물론 그렇다고 해서 불가능 한 것은 아닙니다. 아래 처럼 템플릿 특수화를 이용하면 되기 때문이죠.

template <>
void my_swap(MyString &a, MyString &b) {
  // ...
}

문제는 string_content 가 private 이기 때문에, 이를 위해 MyString 내부에 swap 관련한 함수를 만들어야 된다는 것입니다. 사실 이렇게 된다면 굳이 my_swap 이라는 함수를 정의할 필요가 없게 됩니다.

위 문제를 원래의 my_swap 함수를 사용하면서 좀 더 깔끔하게 해결할 수 있는 방법은 없을까요?

T tmp(a);

먼저 기존의 my_swap 함수를 다시 살펴봅시다. 우리는 위 문장이 복사 생성자 대신에, 이동 생성자가 되기를 원합니다. 왜냐하면 tmp 를 복사생성 할 필요 없이, 단순히 a 를 잠깐 옮겨놓기만 하면 되기 때문이지요. 하지만 문제는 a 가 좌측값이라는 점입니다 (a 라는 실체가 있으므로). 따라서 지금 이 상태로는 우리가 무얼 해도 이동 생성자는 오버로딩 되지 않습니다.

그렇다면, 좌측값이 우측값으로 취급될 수 있게 바꿔주는 함수 같은 것이 있을까요?

move 함수 (move semantics)

다행이도 C++ 11 부터 <utility> 라이브러리에서 좌측값을 우측값으로 바꾸어주는 move 함수를 제공하고 있습니다. 아래 예시를 통해서 간단히 사용하는 방법을 살펴봅시다.

#include <iostream>
#include <utility>

class A {
 public:
  A() { std::cout << "일반 생성자 호출!" << std::endl; }
  A(const A& a) { std::cout << "복사 생성자 호출!" << std::endl; }
  A(A&& a) { std::cout << "이동 생성자 호출!" << std::endl; }
};

int main() {
  A a;

  std::cout << "---------" << std::endl;
  A b(a);

  std::cout << "---------" << std::endl;
  A c(std::move(a));
}

성공적으로 컴파일 하였다면

실행 결과

일반 생성자 호출!
---------
복사 생성자 호출!
---------
이동 생성자 호출!

와 같이 나옵니다.

일단 먼저 A 클래스에 아래와 같이 3 가지 형태의 생성자들을 정의하였습니다.

public:
A() { std::cout << "일반 생성자 호출!" << std::endl; }
A(const A& a) { std::cout << "복사 생성자 호출!" << std::endl; }
A(A&& a) { std::cout << "이동 생성자 호출!" << std::endl; }

그리고 이들 생성자를 호출하는 부분을 살펴봅시다.

A a;

std::cout << "---------" << std::endl;
A b(a);

먼저 여태까지 강좌를 잘 따라오신 분들이라면 위 부분에서 일반 생성자와 복사 생성자가 각각 호출되었음을 알 수 있습니다. 그 이유는 b(a) 를 했을 때 a 가 이름이 있는 좌측값 이므로 좌측값 레퍼런스가 참조하기 때문이죠.

그렇다면 바로 그 다음 줄을 볼까요?

A c(std::move(a));

놀랍게도 이번에는 이동 생성자가 호출되었습니다. 그 이유는 std::move 함수가 인자로 받은 객체를 우측값으로 변환해서 리턴해주기 때문입니다. 사실 이름만 보면 무언가 이동 시킬 것 같지만 실제로는 단순한 타입 변환 만 수행할 뿐입니다.

주의 사항

하지만 std::move 덕분에 강제적으로 우측값 레퍼런스를 인자로 받는 이동 생성자를 호출할 수 있었습니다. 그렇다민 이 아이디어를 바탕으로 우리의 MyString 에 어떻게 적용할 수 있을지 살펴봅시다.

#include <iostream>
#include <cstring>

class MyString {
  char *string_content;  // 문자열 데이터를 가리키는 포인터
  int string_length;     // 문자열 길이

  int memory_capacity;  // 현재 할당된 용량

 public:
  MyString();

  // 문자열로 부터 생성
  MyString(const char *str);

  // 복사 생성자
  MyString(const MyString &str);

  // 이동 생성자
  MyString(MyString &&str);

  // 일반적인 대입 연산자
  MyString &operator=(const MyString &s);

  // 이동 대입 연산자
  MyString& operator=(MyString&& s);

  ~MyString();

  int length() const;

  void println();
};

MyString::MyString() {
  std::cout << "생성자 호출 ! " << std::endl;
  string_length = 0;
  memory_capacity = 0;
  string_content = NULL;
}

MyString::MyString(const char *str) {
  std::cout << "생성자 호출 ! " << std::endl;
  string_length = strlen(str);
  memory_capacity = string_length;
  string_content = new char[string_length];

  for (int i = 0; i != string_length; i++) string_content[i] = str[i];
}
MyString::MyString(const MyString &str) {
  std::cout << "복사 생성자 호출 ! " << std::endl;
  string_length = str.string_length;
  string_content = new char[string_length];

  for (int i = 0; i != string_length; i++)
    string_content[i] = str.string_content[i];
}
MyString::MyString(MyString &&str) {
  std::cout << "이동 생성자 호출 !" << std::endl;
  string_length = str.string_length;
  string_content = str.string_content;
  memory_capacity = str.memory_capacity;

  // 임시 객체 소멸 시에 메모리를 해제하지
  // 못하게 한다.
  str.string_content = nullptr;
  str.string_length = 0;
  str.memory_capacity = 0;
}
MyString::~MyString() {
  if (string_content) delete[] string_content;
}
MyString &MyString::operator=(const MyString &s) {
  std::cout << "복사!" << std::endl;
  if (s.string_length > memory_capacity) {
    delete[] string_content;
    string_content = new char[s.string_length];
    memory_capacity = s.string_length;
  }
  string_length = s.string_length;
  for (int i = 0; i != string_length; i++) {
    string_content[i] = s.string_content[i];
  }

  return *this;
}
MyString& MyString::operator=(MyString&& s) {
  std::cout << "이동!" << std::endl;
  string_content = s.string_content;
  memory_capacity = s.memory_capacity;
  string_length = s.string_length;

  s.string_content = nullptr;
  s.memory_capacity = 0;
  s.string_length = 0;
  return *this;
}
int MyString::length() const { return string_length; }
void MyString::println() {
  for (int i = 0; i != string_length; i++) std::cout << string_content[i];

  std::cout << std::endl;
}

template <typename T>
void my_swap(T &a, T &b) {
  T tmp(std::move(a));
  a = std::move(b);
  b = std::move(tmp);
}
int main() {
  MyString str1("abc");
  MyString str2("def");
  std::cout << "Swap 전 -----" << std::endl;
  std::cout << "str1 : ";
  str1.println();
  std::cout << "str2 : ";
  str2.println();

  std::cout << "Swap 후 -----" << std::endl;
  my_swap(str1, str2);
  std::cout << "str1 : ";
  str1.println();
  std::cout << "str2 : ";
  str2.println();
}

성공적으로 컴파일 하였다면

실행 결과

생성자 호출 ! 
생성자 호출 ! 
Swap 전 -----
str1 : abc
str2 : def
Swap 후 -----
이동 생성자 호출 !
이동!
이동!
str1 : def
str2 : abc

와 같이 나옵니다.

먼저 우리의 my_swap 함수 부터 살펴봅시다.

template <typename T>
void my_swap(T &a, T &b) {
  T tmp(std::move(a));
  a = std::move(b);
  b = std::move(tmp);
}

먼저

T tmp(std::move(a));

를 통해서 tmp 라는 임시 객체를 a 로 부터 이동 생성하였습니다. 이동 생성이기 때문에 기존에 복사 생성하는 것 보다 훨씬 빠르게 수행됩니다.

a = std::move(b);
b = std::move(tmp);

그 다음에 a 에 b 를 이동 시켰고, b 에 다시 tmp 를 이동시킴으로써 swap 을 수행하게 됩니다. 왜 여기서 일반적인 대입이 아니라 이동 이 되는 것이냐면 우리가 아래와 같이 이동 대입 연산자를 정의하였기 때문입니다.

MyString& MyString::operator=(MyString&& s) {
  std::cout << "이동!" << std::endl;
  string_content = s.string_content;
  memory_capacity = s.memory_capacity;
  string_length = s.string_length;

  s.string_content = nullptr;
  s.memory_capacity = 0;
  s.string_length = 0;
  return *this;
}

이동 대입 연산자 역시 이동 생성자와 비슷하게 매우 간단합니다. 전체 문자열을 복사할 필요 없이 그냥 기존의 문자열을 가리키고 있던 string_content 만 복사하면 되기 때문이니까요.

여기서 알 수 있는 한 가지 사실은 실제로 데이터가 이동 되는 과정은 위와 같이 정의한 이동 생성자나 이동 대입 연산자를 호출할 때 수행 되는 것이지 std::move 를 한 시점에서 수행되는 것이 아니라는 점입니다.

만일 여러분이 MyString& MyString::operator=(MyString&& s) 를 정의하지 않았더라면 일반적인 대입 연산자가 오버로딩 되서 매우 느린 복사가 수행됩니다. 실제로 이동 대입 연산자를 지워보고 실행하면

실행 결과

생성자 호출 ! 
생성자 호출 ! 
Swap 전 -----
str1 : abc
str2 : def
Swap 후 -----
이동 생성자 호출 !
복사!
복사!
str1 : def
str2 : abc

와 같이 그냥 일반적인 복사가 수행됩니다.

주의 사항

퀴즈

예를 들어서 아래와 같은 두 클래스가 있다고 해봅시다.

class A {
 public:
  A() { std::cout << "ctor\n"; }
  A(const A& a) { std::cout << "copy ctor\n"; }
  A(A&& a) { std::cout << "move ctor\n"; }
};

class B {
 public:
  A a_;
};

클래스 A 의 경우 편의상 어떠한 종류의 생성자가 호출되는지 나타내고 있는 단순한 클래스 이고, 클래스 B 에는 그냥 A 객체를 보관하고 있습니다.

만약에 B 객체를 생성할 때, 이미 생성되어 있는 A 객체를 B 의 객체 안으로 집어 넣고 싶다면 어떨까요?

int main() {
  A a;

  std::cout << "create B-- \n";
  B b(/* ?? */);
}

예를 들어서 위의 경우 이미 A 객체인 a 가 생성되어 있는데, 아래에서 B 객체인 b 를 생성하면서 a 를 B 에 이동 시켜야 합니다.

그렇다면 B 의 생성자를 어떠한 방식으로 작성해야 할까요?

첫 번째 시도

먼저 가장 단순하게 B 의 생성자를 const A& 타입으로 만들어봅시다.

#include <iostream>

class A {
 public:
  A() { std::cout << "ctor\n"; }
  A(const A& a) { std::cout << "copy ctor\n"; }
  A(A&& a) { std::cout << "move ctor\n"; }
};

class B {
 public:
  B(const A& a) : a_(a) {}

  A a_;
};

int main() {
  A a;
  std::cout << "create B-- \n";
  B b(a);
}

성공적으로 컴파일 하였다면

실행 결과

ctor
create B-- 
copy ctor

예상했던 대로 복사 생성자가 호출되었습니다. 하지만 우리가 원하던 것은 이게 아니죠. 우리는 main 안에서 이미 생성되어 있는 A 라는 객체를 새로 생성된 b 의 안으로 이동 시키고 싶을 뿐입니다. 복사 생성을 원하는 것이 아니였죠. 그럼 다시 해봅시다.

두 번째 시도

아 이동 시킬려면 std::move 를 해야 되니까 그냥 a_(std::move(a)) 로 해볼까?

#include <iostream>

class A {
 public:
  A() { std::cout << "ctor\n"; }
  A(const A& a) { std::cout << "copy ctor\n"; }
  A(A&& a) { std::cout << "move ctor\n"; }
};

class B {
 public:
  B(const A& a) : a_(std::move(a)) {}

  A a_;
};

int main() {
  A a;
  std::cout << "create B-- \n";
  B b(a);
}

성공적으로 컴파일 하였다면

실행 결과

ctor
create B-- 
copy ctor

동일한 결과가 나옵니다. 아니 왜 std::move(a) 를 해서 우측값으로 바꾸었는데 왜 이동 생성자가 호출이 되지 않고 복사 생성자가 호출이 되었을까요?

일단 std::move(a) 가 우측값으로 바꾸는 것은 맞습니다. 그런데 문제는 a 가 const A& 이므로, std::move(a) 의 타입은 const A&& 가 된다는 것입니다. 그런데 A 의 생성자에는 const A& 와 A&& 두 개 밖에 없죠. 따라서 여기선 컴파일러가 const A& 를 택하게 됩니다. 따라서 복사 생성자가 호출이 되겠죠.

세 번째 시도

아 그렇다면 B 생성자에서 아예 우측값을 받는 수 받게 없구나.

#include <iostream>

class A {
 public:
  A() { std::cout << "ctor\n"; }
  A(const A& a) { std::cout << "copy ctor\n"; }
  A(A&& a) { std::coaut << "move ctor\n"; }
};

class B {
 public:
  B(A&& a) : a_(a) {}

  A a_;
};

int main() {
  A a;
  std::cout << "create B-- \n";
  B b(std::move(a));
}

성공적으로 컴파일 하였다면

실행 결과

ctor
create B-- 
copy ctor

와 같이 나옵니다. 엥? 아니 왜 a 를 우측값 레퍼런스로 받았는데, 왜 이동 생성자 대신에 복사 생성자가 호출이 되었을까요? 그 이유는 간단합니다. 앞서 이야기 하였듯이 a 는 우측값 레퍼런스 이지만 그 자체로는 좌측값 이기 때문이죠 (이름이 있으니까요). 따라서 a 를 다시 한 번 우측값으로 캐스팅 시켜줘야 합니다.

정답

#include <iostream>

class A {
 public:
  A() { std::cout << "ctor\n"; }
  A(const A& a) { std::cout << "copy ctor\n"; }
  A(A&& a) { std::cout << "move ctor\n"; }
};

class B {
 public:
  B(A&& a) : a_(std::move(a)) {}

  A a_;
};

int main() {
  A a;
  std::cout << "create B-- \n";
  B b(std::move(a));
}

성공적으로 컴파일 하였다면

실행 결과

ctor
create B-- 
move ctor

와 같이 비로소 제대로 A 의 이동 생성자가 호출이 되어서 a 가 b 의 a_ 로 잘 이동되었음을 알 수 있습니다.

완벽한 전달 (perfect forwarding)

C++ 11 에 우측값 레퍼런스가 도입되기 전 까지 해결할 수 없었던 문제가 있었습니다. 예를 들어서 아래와 같은 wrapper 함수를 생각해봅시다.

template <typename T>
void wrapper(T u) {
  g(u);
}

이 함수는 인자로 받은 u 를 그대로 g 라는 함수에 인자로 전달 해줍니다. 물론 왜 저런 함수가 필요하나고 생각할 수 있습니다. 그냥 저런 wrapper 함수를 만들지 말고 그냥 g(u) 를 호출하면 되잖아요?

하지만 실제로 저러한 형태의 전달 방식이 사용되는 경우가 종종 있습니다. 예를 들어 vector 에는 emplace_back 이라는 함수가 있습니다. 이 함수는 객체의 생성자에 전달하고 싶은 인자들을 함수에 전달하면, 알아서 생성해서 vector 맨 뒤에 추가해줍니다.

예를 들어서 클래스 A 를 원소로 가지는 벡터의 뒤에 원소를 추가하기 위해서는

vec.push_back(A(1, 2, 3));

과 같이 객체를 생성한 뒤에 인자로 전달해줘야만 합니다. 하지만 이 과정에서 불필요한 이동 혹은 복사가 발생하게 됩니다. 그 대신, emplace_back 함수를 사용하게 되면;

vec.emplace_back(1, 2, 3);  // 위와 동일한 작업을 수행한다.

emplace_back 함수는 인자를 직접 전달받아서, 내부에서 A 의 생성자를 호출한 뒤에 이를 벡터 원소 뒤에 추가하게 되지요. 이 과정에서 불필요한 이동/복사 모두 발생하지 않습니다. 참고로 새로 생성한 객체를 벡터 뒤에 추가할 경우 위와 같이 push_back 을 이용하는 것 보다 emplace_back 을 이용하는 것이 권장되는 방식입니다. 사실 push_back 함수를 사용할 경우 컴파일러가 알아서 최적화를 해주기 때문에 불필요한 복사-이동을 수행하지 않고 emplace_back 을 사용했을 때와 동일한 어셈블리를 생성합니다. 따라서 push_back 을 사용하는 것이 훨씬 낫습니다. (emplace_back 은 예상치 못한 생성자가 호출될 위험이 있습니다)

그렇다면 문제는 emplace_back 함수가 받은 인자들을 A 의 생성자에 제대로 전달해야 한다는 점입니다. 그렇지 않을 경우 사용자가 의도하지 않은 생성자가 호출될 수 있기 때문입니다. 그렇다면 위와 같은 wrapper 함수를 어떻게 하면 잘 정의할 수 있을까요?

#include <iostream>
#include <vector>

template <typename T>
void wrapper(T u) {
  g(u);
}

class A {};

void g(A& a) { std::cout << "좌측값 레퍼런스 호출" << std::endl; }
void g(const A& a) { std::cout << "좌측값 상수 레퍼런스 호출" << std::endl; }
void g(A&& a) { std::cout << "우측값 레퍼런스 호출" << std::endl; }

int main() {
  A a;
  const A ca;

  std::cout << "원본 --------" << std::endl;
  g(a);
  g(ca);
  g(A());

  std::cout << "Wrapper -----" << std::endl;
  wrapper(a);
  wrapper(ca);
  wrapper(A());
}

성공적으로 컴파일 하였다면

실행 결과

원본 --------
좌측값 레퍼런스 호출
좌측값 상수 레퍼런스 호출
우측값 레퍼런스 호출
Wrapper -----
좌측값 레퍼런스 호출
좌측값 레퍼런스 호출
좌측값 레퍼런스 호출

와 같이 나옵니다.

std::cout << "원본 --------" << std::endl;
g(a);
g(ca);
g(A());

먼저 위 경우 우리의 예상대로 좌측값 레퍼런스, 좌측값 상수 레퍼런스, 우측값 레퍼런스가 각각 호출되었습니다. 반면에 wrapper 함수를 거쳐갔을 경우, 공교롭게도 위 세 경우 모두 좌측값 레퍼런스를 받는 g 함수가 호출되었습니다.

이러한 일이 발생한 이유는 C++ 컴파일러가 템플릿 타입을 추론할 때,템플릿 인자 T 가 레퍼런스가 아닌 일반적인 타입이라면 const 를 무시하기 때문입니다. 다시 말해,

template <typename T>
void wrapper(T u) {
  g(u);
}

에서 T 가 전부 다 class A 로 추론됩니다. 따라서 위 세 경우 전부 다 좌측값 레퍼런스를 호출하는 g 를 호출하였습니다.

template <typename T>
void wrapper(T& u) {
  g(u);
}

그렇다면 위 경우는 어떨까요?

컴파일 오류

error: cannot bind non-const lvalue reference of type 'A&' to an rvalue of type 'A'
  wrapper(A());
          ^~~

위와 같은 컴파일 오류가

g(A());

에서 발생합니다. (참고로 이 오류는 gcc 와 clang 컴파일러에서 모두 발생하는데, 비주얼 스튜디오 2017 이전 버전에서는 발생하지 않습니다. 하지만 원칙적으로 위와 같은 오류를 발생시켜야 하는 것이 맞습니다)

왜 위와 같은 오류가 발생하는지 생각해보자면 다음과 같습니다. 일단, A() 자체는 const 속성이 없으므로 템플릿 인자 추론에서 T 가 class A 로 추론됩니다. 하지만 A& 는 우측값의 레퍼런스가 될 수 없기 때문에 컴파일 오류가 발생하는 것입니다.

그렇다면 아예 우측값을 레퍼런스로 받을 수 있도록 const A& 와 A& 따로 만들어주는 방법이 있습니다. 아래와 같이 말이지요.

#include <iostream>
#include <vector>

template <typename T>
void wrapper(T& u) {
  std::cout << "T& 로 추론됨" << std::endl;
  g(u);
}

template <typename T>
void wrapper(const T& u) {
  std::cout << "const T& 로 추론됨" << std::endl;
  g(u);
}

class A {};

void g(A& a) { std::cout << "좌측값 레퍼런스 호출" << std::endl; }
void g(const A& a) { std::cout << "좌측값 상수 레퍼런스 호출" << std::endl; }
void g(A&& a) { std::cout << "우측값 레퍼런스 호출" << std::endl; }

int main() {
  A a;
  const A ca;

  std::cout << "원본 --------" << std::endl;
  g(a);
  g(ca);
  g(A());

  std::cout << "Wrapper -----" << std::endl;
  wrapper(a);
  wrapper(ca);
  wrapper(A());
}

성공적으로 컴파일 하였다면

실행 결과

원본 --------
좌측값 레퍼런스 호출
좌측값 상수 레퍼런스 호출
우측값 레퍼런스 호출
Wrapper -----
T& 로 추론됨
좌측값 레퍼런스 호출
const T& 로 추론됨
좌측값 상수 레퍼런스 호출
const T& 로 추론됨
좌측값 상수 레퍼런스 호출

와 같이 나옵니다.

일단 a 와 ca 의 경우 각각 T& 와 const T& 로 잘 추론되서 올바른 함수를 호출하고 있음을 알 수 있습니다. 반면에 A() 의 경우 const T& 로 추론되면서 g(const T&) 함수를 호출하게 됩니다. 물론 이는 예상했던 일입니다. 우리가 무엇을 해도 wrapper 안에 u 가 좌측값이라는 사실은 변하지 않고 이에 언제나 좌측값 레퍼런스를 받는 함수들이 오버로딩 되겠지요.

뿐만이 아니라 다음과 같은 문제가 있습니다. 예를 들어서 함수 g 가 인자를 한 개가 아니라 2 개를 받는다고 가정합니다. 그렇다면 우리는 다음과 같은 모든 조합의 템플릿 함수들을 정의해야합니다.

template <typename T>
void wrapper(T& u, T& v) {
  g(u, v);
}
template <typename T>
void wrapper(const T& u, T& v) {
  g(u, v);
}

template <typename T>
void wrapper(T& u, const T& v) {
  g(u, v);
}
template <typename T>
void wrapper(const T& u, const T& v) {
  g(u, v);
}

매우 귀찮은 일입니다. 위와 같이 짜야하는 이유는 단순히 일반적인 레퍼런스가 우측값을 받을 수 없기 때문입니다. 그렇다고 해서 디폴트로 상수 레퍼런스만 받게 된다면, 상수가 아닌 레퍼런스도 상수 레퍼런스로 캐스팅되서 들어간다는 점이지요.

하지만 놀랍게도 C++ 11 에서는 이를 간단하게 해결할 수 있습니다.

보편적 레퍼런스 (Universal reference)

#include <iostream>

template <typename T>
void wrapper(T&& u) {
  g(std::forward<T>(u));
}

class A {};

void g(A& a) { std::cout << "좌측값 레퍼런스 호출" << std::endl; }
void g(const A& a) { std::cout << "좌측값 상수 레퍼런스 호출" << std::endl; }
void g(A&& a) { std::cout << "우측값 레퍼런스 호출" << std::endl; }

int main() {
  A a;
  const A ca;

  std::cout << "원본 --------" << std::endl;
  g(a);
  g(ca);
  g(A());

  std::cout << "Wrapper -----" << std::endl;
  wrapper(a);
  wrapper(ca);
  wrapper(A());
}

성공적으로 컴파일 하였다면

실행 결과

원본 --------
좌측값 레퍼런스 호출
좌측값 상수 레퍼런스 호출
우측값 레퍼런스 호출
Wrapper -----
좌측값 레퍼런스 호출
좌측값 상수 레퍼런스 호출
우측값 레퍼런스 호출

와 같이 잘 작동함을 알 수 있습니다.

template <typename T>
void wrapper(T&& u) {
  g(std::forward<T>(u));
}

일단 우리의 wrapper 함수는 인자로 아예 T && 를 받아버리고 있습니다. 이렇게, 템플릿 인자 T 에 대해서, 우측값 레퍼런스를 받는 형태를 보편적 레퍼런스(Universal reference) 라고 합니다. 이 보편적 레퍼런스는 우측값만 받는 레퍼런스와 다릅니다.

예를 들어서 아래와 같은 코드를 봅시다.

#include <iostream>

void show_value(int&& t) { std::cout << "우측값 : " << t << std::endl; }

int main() {
  show_value(5);  // 우측값 ok!

  int x = 3;
  show_value(x);  // 애러
}

컴파일 하였다면

컴파일 오류

test2.cc: In function ‘int main()’:
test2.cc:9:15: error: cannot bind rvalue reference of type ‘int&&’ to lvalue of type ‘int’
   show_value(x);
               ^
test2.cc:3:6: note:   initializing argument 1 of ‘void show_value(int&&)’
 void show_value(int&& t) { std::cout << "우측값 : " << t << std::endl; }
      ^~~~~~~~~~

와 같이 컴파일 오류가 발생합니다. 위 처럼, 그냥 int&& t 형태의 함수는 우측값만을 인자로 받을 수 있습니다..

template <typename T>
void wrapper(T&& u) {

하지만 위와 같이 템플릿 타입의 우측값 레퍼런스는 다릅니다. 이 보편적 레퍼런스 는 우측값 뿐만이 아니라 좌측값 역시 받아낼 수 있습니다. 그렇다면 좌측값이 왔을 때 T 의 타입은 어떻게 해석될까요?

C++ 11 에서는 다음과 같은 레퍼런스 겹침 규칙 (reference collapsing rule) 에 따라 T 의 타입을 추론하게 됩니다.

typedef int& T;
T& r1;   // int& &; r1 은 int&
T&& r2;  // int & &&;  r2 는 int&

typedef int&& U;
U& r3;   // int && &; r3 는 int&
U&& r4;  // int && &&; r4 는 int&&

즉 쉽게 생각하면 & 는 1 이고 && 은 0 이라 둔 뒤에, OR 연산을 한다고 보면 됩니다.

그렇다면,

wrapper(a);
wrapper(ca);

위 두 개의 호출의 경우 T 가 각각 A& 와 const A& 로 추론될 것이고,

wrapper(A());

의 경우에는 T 가 단순히 A 로 추론되겠지요.

그런데 문제는 이제 직접 g 에 이 인자를 전달하는 방법입니다. 왜 그냥

g(u)

로 하지 않았는지 생각해봅시다. 앞서도 말했듯이 여기서 u 는 좌측값 입니다. 따라서 우리는 int&& 를 오버로딩 하는 g 를 호출 하고 싶었겠짐나 실제로는 const int& 를 오버로딩하는 g 가 호출되게 됩니다. 따라서 이 경우 move 를 통해 u 를 다시 우측값으로 변환해야 합니다.

하지만 당연히도 아무때나 move 를 하면 안됩니다. 인자로 받은 u 가 우측값 레퍼런스 일 때 에만 move 를 해줘야 합니다. 만일 좌측값 레퍼런스일 때 move 를 해버린다면 좌측값에 오버로딩 되는 g 가 아닌 우측값에 오버로딩 되는 g 가 호출되겠지요.

g(forward<T>(u));

이 문제를 해결해주는 것이 forward 함수 입니다. 이 함수는 u 가 우측값 레퍼런스 일 때 에만 마치 move 를 적용한 것 처럼 작동합니다. 실제로 forward 가 어떻게 생겼나면,

template <class S>
S&& forward(typename std::remove_reference<S>::type& a) noexcept {
  return static_cast<S&&>(a);
}

와 같이 생겼는데, S 가 A& 라면 (참고로 std::remove_reference 는 타입의 레퍼런스를 지워주는 템플릿 메타 함수 입니다)

A&&& forward(typename std::remove_reference<A&>::type& a) noexcept {
  return static_cast<A&&&>(a);
}

가 되어 레퍼런스 겹침 규칙에 따라

A& forward(A& a) noexcept { return static_cast<A&>(a); }

가 되버리고, S 가 A 라면, (퀴즈! 여기서 왜 forward 의 인자가 A&& 가 아니라 A& 일까요?)

A&& forward(A& a) noexcept { return static_cast<A&&>(a); }

가 되어 성공적으로 우측값으로 캐스팅해줍니다. 따라서 결과적으로 위 그림 처럼 원본과 Wrapper 을 사용했을 때 모두 호출되는 함수가 동일함을 알 수 있습니다. 성공적으로 인자를 전달한 것이지요!

자 그럼 이것으로 이번 강좌를 마치도록 하겠습니다. 다음 강좌에서는 여태까지 배운 내용을 바탕으로 스마트 포인터를 사용하는 방법에 대해서 다루어보도록 하겠습니다.

생각 해보기

문제 1

실제로 move 와 forward 가 어떠한 방식으로 구현되어 있는지 궁금하신 분들은 여기를 참고하시면 됩니다 한 번 코드를 보시고 왜 이런 방식으로 구현되어 있는지 생각해보세요. (난이도 : 중)