클래스와 구조체 - 2

개요

• 클래스와 구조체 - 1 강의에서는 클래스에 대해서 다뤘다. 이번 포스팅에서는 구조체(Struct)에 대해서 본격적으로 다뤄보겠다.

이번에는 구조체에 대해 알아보자.

• 지난 포스팅에서 클래스와 구조체는 객체를 표현하기 위한 설계도의 개념인 것으로 설명했다. 구조체 또한 클래스와 사용 방법이 비슷하지만 몇 가지 유의할 점이 있으므로, 구조체의 간단한 특징과 사용 예제를 살펴보자

구조체

• 구조체의 특징은 다음과 같다
  • 구조체의 변수와 인스턴스 모두 일반적으로는 스택에 할당되는 값 타입이다
    • 단, 구조체가 클래스의 필드나 프로퍼티로 사용되는 경우 구조체 클래스 인스턴스의 일부로서 힙에 할당될 수 있다.
  • 구조체의 상속은 불가능하다
    • 다른 클래스나 구조체를 상속받을 수 없지만 인터페이스의 구현은 가능하다.
  • 구조체의 필드(변수, 프로퍼티)와 메서드(함수)를 가질 수 있다
  • 사용자 정의 생성자를 통해 인스턴스화 할 때, 모든 필드를 초기화해야 한다.

구조체 선언과 인스턴스 생성

• 클래스와 같은 방법으로 인스턴스를 생성할 수 있다.

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        MyStruct a = new MyStruct();

        a.PrintText();
    }
}

public struct MyStruct
{
    public int num;

    public MyStruct()
    {
        // 생성자를 명시적으로 사용할 때, 
        // 필드가 초기화되어있지 않은 경우 반드시 수행해야 한다.
        num = 10;
    }

    public void PrintText()
    {
        Console.WriteLine(num);
    }
}

• 결과 :
  • 
• 클래스와 마찬가지로 간단한 과정을 거쳐 구조체의 인스턴스를 생성할 수 있다.
  다만 클래스와는 달리 값 타입 이기 때문에 아래와 같은 차이점이 발생한다

이런 경우는 어떻게 동작할까?

• 아래의 코드를 보고, 실행결과를 보기 전 어떤 결과가 출력될 지 유추해보자

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        MyClass ClassA = new MyClass();
        MyClass ClassB = ClassA;
        ClassB.Num = 100;

        Console.WriteLine($"A Class의 변수 데이터 : {ClassA.Num}");
        Console.WriteLine($"B Class의 변수 데이터 : {ClassB.Num}");
        Console.WriteLine("----------------------------------");

        MyStruct StructA = new MyStruct();
        MyStruct StructB = StructA;
        StructB.Num = 100;

        Console.WriteLine($"A Struct의 변수 데이터 : {StructA.Num}");
        Console.WriteLine($"B Struct의 변수 데이터 : {StructB.Num}");
    }
}

public struct MyStruct
{
    public int Num; // 0
}

public class MyClass
{
    public int Num; // 0
}

• 어떤 결과가 출력될 것 같은가. 먼저 설명을 덧붙이자면,
  클래스는 참조타입이기 때문에 변수는 스택에 할당되지만 결국 ClassA, ClassB는 같은 힙 메모리의 주소를 가리키는 변수가 된다. 그렇기에 ClassB의 데이터를 변화하면 ClassA의 데이터도 변한다
  
  하지만 구조체는 값 타입이므로 스택에 저장된다. MyStruct StructB = StructA;는 같은 메모리 주소를 가리키는 주소값이 아니라 개별적으로 존재하는 하나의 인스턴스가 된다. 즉, StructB가 인스턴스화 되는 시점에 StructA의 데이터를 복사해 완전히 별개의 인스턴스로서 존재한다는 뜻이다. 그러므로 StructB의 데이터를 바꾸더라도 StructA의 데이터는 변하지 않는다.
  

• 결과 :

  • 

구조체는 무조건 스택에만 할당되는가?

• 그렇지만도 않다. 다음의 예시들을 확인해보자.

구조체의 크기가 16바이트 초과일 때, 힙에 할당되는가?

• 결과부터 말하자면 아니다. 정확히 말하면..상황마다 다르긴 한데…최소한 16바이트를 초과한다는 이유로 힙에 할당되는 것은 아니다. 16바이트를 초과했을 때, 힙에 할당되는 것인지 코드를 작성해 증명할 수 있는데, 아래의 코드를 예시로 16바이트를 초과하는 구조체가 어디에 할당되는지 생각해보자.

using System;
using System.Runtime.InteropServices;
using System.Threading;

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        Console.WriteLine($"구조체 크기 : {Marshal.SizeOf(typeof(MyStruct))}");

        // 콘솔에서의 멀티스레드 구동
        // 멀티 스레드에서 StructGenerate 함수를 백그라운드로 실행
        Thread th = new Thread(StructGenerate);
        th.IsBackground = true;
        th.Start();

        for(int i = 0; i < 10; i++)
        {
            // 0 ~ 2 세대별 가비지컬렉션이 수행된 수를 모두 더해 출력한다.
            // 즉, 현재까지 가비지 컬렉션이 수행된 누적 횟수
            int GarbageCollectionCount = GC.CollectionCount(0) + GC.CollectionCount(1) + GC.CollectionCount(2);
            Console.WriteLine(GarbageCollectionCount);

            // 메인 스레드를 1초 지연시킨다
            Thread.Sleep(1000);
        }
    }

    static void StructGenerate()
    {
        while (true)
        {
            // 인스턴스 생성, 블록 범위가 지나면 할당이 해제되므로
            // 힙에 할당된다면 가비지컬렉션이 발생해야 한다
            MyStruct a = new MyStruct();

            // MyClass b = new MyClass();
        }
    }
}

public class MyClass
{
    public long Num1;
    public long Num2;
    public long Num3;
}

public struct MyStruct
{
    public long Num1;
    public long Num2;
    public long Num3;
}

• 결과 :
  • 

• 구조체의 인스턴스를 지속적으로 멀티스레드에서 생성하고 있음에도, 가비지컬렉션은 한번도 일어나지 않았다. 가비지컬렉션의 개념은 추후 포스팅 할 개념으로, 현재는 힙 메모리에서 사용하지 않는 객체를 자동으로 할당 해제하는 프로세스정도로 정의하겠다.
  그렇다면, 그냥 원래 가비지컬렉션이 일어나지 않는 것 아니냐..생각할 수 있지만, 친히 준비해놓은 Class 인스턴스를 생성하는 코드의 주석을 풀고, 다시 테스트를 진행하면
  

• 결과 :
  • 

• 위와 같이 폭팔적으로 가비지 컬렉션이 수행되는것을 확인할 수 있다.

• 이로서 구조체의 크기가 16바이트 이상일 때, 힙에 할당되지 않는다는 것이 증명되었다.

언제 힙에 할당될까

• 포스팅 위쪽 구조체의 정의 부분에서 설명했듯, 클래스의 멤버로서 구조체가 인스턴스화 될 때 힙에 할당된다. 아래는 클래스 필드로 구조체를 갖는 간단한 예시이다.

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        MyClass myClass = new MyClass();
    }
}

public class MyClass
{
    MyStruct myStruct = new MyStruct();
}

public struct MyStruct
{
    public int Num1;
}

• 위 예시의 경우 구조체라 하더라도 힙에 할당된다. 클래스가 힙에 할당되기 때문에, 그 필드 멤버로 있는 구조체 또한 클래스가 인스턴스화 될 때 힙에 할당되는 것이다.