약한 참조

3. 가비지 컬렉션과의 관계

가비지 컬렉션은 사용하지 않는 객체를 정리하여 메모리 누수와 데이터 손상의 가능성을 줄이는 데 사용된다. 가비지 컬렉션에는 추적 방식과 참조 카운팅 방식 등 두 가지 주요 유형이 있다. 참조 카운팅 방식은 주어진 객체에 대한 참조 수를 기록하고 참조 횟수가 0이 되면 해당 객체를 수집한다. 참조 카운팅은 순환 참조를 수집할 수 없는데, 한 번에 하나의 객체만 수집할 수 있기 때문이다. 서로 참조하지만 다른 객체에 의해 직접 참조되지 않고 접근할 수 없는 객체 그룹은 영구적으로 상주할 수 있다. 애플리케이션이 이러한 접근할 수 없는 객체 그룹을 지속적으로 생성하면 메모리 누수가 발생한다. 약한 참조 (참조 카운팅에 포함되지 않는 참조)는 그룹 내의 일부 참조에 약한 참조를 사용함으로써 참조 순환을 피할 수 있는 경우 순환 참조 문제를 해결하는 데 사용될 수 있다.^[4]

가비지 컬렉터(GC)는 메모리 객체의 라이프 사이클 관리를 자동화하고 메모리 누수를 방지하기 위해 사용된다. GC 방식 중 하나로 참조 카운트 방식이 있는데, 이는 객체마다 참조 횟수를 기록하는 영역(참조 카운터)을 마련하고, 그 수가 0이 되면 객체를 해제하는 방식이다. 이 방식의 GC는 어떤 객체 간에 참조가 순환하는 경우 이를 해제할 수 없다(순환 참조). 따라서 서로를 참조하는 객체군은 메모리 누수의 원인이 된다. 이 문제는 강한 참조를 약한 참조로 대체함으로써 해결할 수 있는 경우가 있다. 한편, 마크 앤 스위프 방식이나 복사 GC 방식에서는 순환 참조에 의한 메모리 누수는 발생하지 않지만, 비의도적 객체 유지(unintentional object retention)가 일으키는 메모리 누수를 강한 참조만으로 구현하여 해소하는 것은 어렵고 번거로우며, 구현을 간소화하기 위해 약한 참조가 사용되기도 한다.

약한 참조는 프로그램이 중요도가 낮은 객체를 약하게 참조함으로써 표시하도록 하여 메모리에서 불필요한 객체의 수를 최소화하는 데 사용된다. 약한 참조로 참조되는 객체는 애플리케이션 코드 측에서 언제 가비지 컬렉션될지 알 수 없으며, 약한 참조를 통해서는 직접 객체 참조로 다룰 수 없다. 객체 참조로 이용하기 위해서는 약한 참조에서 임시적인 강한 참조로 일단 변환하고, GC로부터 보호해야 한다. 임시적인 강한 참조를 저장하는 곳에는 통상적으로 라이프 사이클이 짧고 범위가 좁은 지역 변수를 사용하며, 객체 참조가 불필요하게 된 시점에서 즉시 해제한다.

약한 참조가 편리한 한 가지 예로, 애플리케이션 내에서 참조되는 변수를 추적하는 경우가 있다.^[10] 이 추적 리스트는 대상 객체에 대해 약한 참조로 참조해야 한다(약한 컬렉션). 그렇지 않으면, 한 번 리스트에 추가된 객체는 리스트에 의해 참조되므로 프로그램이 종료될 때까지 영구적으로 해제되지 않는다.

4. 종류

여러 프로그래밍 언어에서 다양한 수준의 약한 참조를 제공한다.

• 자바는 소프트, 약한, 팬텀 참조를 제공하며, java.lang.ref 패키지에 정의되어 있다.^[5]
• C#은 객체 부활 추적 여부에 따라 '짧은 약한 참조'와 '긴 약한 참조'로 구분된다.
• C++처럼 가비지 수집 기능이 없는 언어는 Boost C++ 라이브러리 등에서 제공하는 가비지 수집 라이브러리를 통해 약한/강한 참조 기능을 활용할 수 있다.^[5]
• Python은 `weakref` 모듈로 약한 참조를 제공한다.^[5]
• Objective-C 2.0은 `__weak` 키워드로 약한 참조를 지원하며, 자동 참조 계수(ARC)와 함께 사용된다.^[5]
• Smalltalk은 `WeakArray`로 약한 참조를 구현한다.^[5]
• Lua는 약한 테이블을 통해 약한 참조를 구현한다.^[5]
• Vala는 `weak` 키워드로 약한 참조를 선언한다.^[5]

4. 1. Java

• 소프트 참조: GC는 JVM이 메모리가 부족하다고 판단될 때 소프트하게 도달 가능한 객체를 해제한다. 단, JVM에 사용하지 않은 힙 공간이 많을 경우에는 해제하지 않을 수 있다.^[5]
• 약한 참조: GC는 약하게 도달 가능한 객체를 감지하는 즉시 해제한다.^[5]
• 팬텀 참조: 다른 참조 유형과 달리 추적(dereference)할 수 없다. 대신, 객체가 메모리에서 해제되었을 때 ReferenceQueues를 통해 프로그램에 알림을 제공한다.^[5]

4. 2. C++

4. 3. Python

|a s1 s2|

s1 := 'hello' copy.     "강한 참조"

s2 := 'world' copy.     "강한 참조"

a := WeakArray with:s1 with:s2.

a printOn: Transcript.

ObjectMemory collectGarbage.

a printOn: Transcript.  "두 요소 모두 여전히 존재"

s1 := nil.              "강한 참조가 사라짐"

ObjectMemory collectGarbage.

a printOn: Transcript.  "첫 번째 요소 사라짐"

s2 := nil.              "강한 참조가 사라짐"

ObjectMemory collectGarbage.

a printOn: Transcript.  "두 번째 요소 사라짐"

weak_table = setmetatable({}, {__mode="v"})

weak_table.item = {}

print(weak_table.item)

collectgarbage()

print(weak_table.item)

class Node {

    public weak Node prev; // 약한 참조는 이중 연결 리스트의 노드 간의 순환 참조를 피하기 위해 사용됩니다.

    public Node next;

}

5. 예제

## Java

1998년 Java 1.2는^[6] "소프트 참조"와 "약한 참조" 두 종류의 약한 참조를 도입했고, "팬텀 참조"라는 실험적 메커니즘도 추가했다.^[8] 이는 기존 finalize() 메커니즘의 대안이었다.

약한 참조는 가비지 컬렉션을 막을 만큼 강력하지 않다. 따라서 객체에 대한 강한 참조가 없다면 `get()`이 갑자기 null을 반환할 수 있다.^[9]

```java

import java.lang.ref.WeakReference;

public class ReferenceTest {

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

WeakReference r = new WeakReference("I'm here");

StrongReference sr = new StrongReference("I'm here");

System.out.println("Before gc: r=" + r.get() + ", static=" + sr.get());

System.gc();

Thread.sleep(100);

// Only r.get() becomes null.

System.out.println("After gc: r=" + r.get() + ", static=" + sr.get());

}

}

```

약한 참조는 캐시 작성에도 쓰인다. 약한 해시 맵을 사용하면 약한 참조를 통해 다양한 객체를 캐시에 저장할 수 있다. 가비지 수집기가 실행되면, 다른 객체에서 직접 참조되지 않는 캐시된 객체는 캐시에서 제거된다.

## Python

Python^영어은 쓰레기 수집을 통해 더 이상 쓰지 않는 객체를 메모리에서 해제하며, 이때 약한 참조를 활용할 수 있다.

```python

>>> import weakref # 약한 참조 모듈을 임포트합니다.

>>> import gc # 가비지 컬렉터 모듈을 임포트합니다.

>>> class Egg: # Egg 클래스를 정의합니다.

... def spam(self): # spam 메서드를 정의합니다.

... print("I'm alive!") # "I'm alive!"를 출력합니다.

...

>>> obj = Egg() # Egg 객체를 생성합니다.

>>> weak_obj = weakref.ref(obj) # obj에 대한 약한 참조를 생성합니다.

>>> weak_obj().spam() # 약한 참조를 통해 spam 메서드를 호출합니다.

I'm alive!

>>> obj = "Something else" # obj에 다른 값을 할당합니다.

>>> gc.collect() # 가비지 컬렉션을 실행합니다.

35

>>> weak_obj().spam() # 약한 참조를 통해 spam 메서드를 호출하려 합니다.

Traceback (most recent call last):

File "", line 1, in

AttributeError: 'NoneType' object has no attribute 'spam'

```

위 코드에서 `weakref.ref(obj)`는 `obj`의 약한 참조를 생성한다. `obj`에 다른 값을 할당하면, 원래 객체는 더 이상 강하게 참조되지 않아 가비지 컬렉션 대상이 된다. `gc.collect()`는 가비지 컬렉션을 실행해 불필요한 객체를 메모리에서 지운다.

Python^영어 약한 참조 관련 자료:

• weakref — Weak references — Python 3 documentation
• Fred L. Drake, Jr., ''PEP 205: Weak References'', Python Enhancement Proposal, January 2001.

5. 1. Java

5. 2. Python

• weakref — Weak references — Python 3 documentation
• Fred L. Drake, Jr., ''PEP 205: Weak References'', Python Enhancement Proposal, January 2001.

6. 한국어 위키백과의 약한 참조 문서

Java에는 패키지에서 약한 참조인 Phantom_reference|팬텀 참조^영어, Soft_reference|소프트 참조^영어가 정의되어 있다. 또한, `WeakReference`를 이용한 해시 테이블로서 가 정의되어 있다.

C++(C++)처럼, 원래 가비지 컬렉터가 없는 언어에서, 그 대체 기능을 라이브러리로 지원하며, 그 안에서 약한 참조・강한 참조 기능을 제공하는 것도 있다. 예를 들어 참조 카운트 방식의 스마트 포인터를 실현하는 C++의 클래스 템플릿으로, Boost C++ 라이브러리의 `boost::shared_ptr`나 C++11 이후의 `std::shared_ptr`가 존재하는데, 이것들은 "강한 참조"에 해당한다. 대응하는 "약한 참조"는, 각각 `boost::weak_ptr`과 `std::weak_ptr`이다. 일반적인 (언어 내장) 포인터는 참조의 수에 영향을 미치지 않는다는 의미에서 "약한 참조"라고 생각할 수도 있지만, 약한 참조는 객체가 도달 불가능하게 되었음을 알아야 하므로, 포인터는 진정한 의미의 약한 참조는 아니다.

7. 비판적 관점

약한 참조는 메모리 관리에 유용한 도구이지만, 남용하거나 잘못 사용할 경우 오히려 프로그램의 복잡성을 증가시키고 예측하기 어려운 동작을 유발할 수 있다는 비판도 있다. 특히, 가비지 컬렉션의 동작 방식에 대한 이해 없이 약한 참조를 사용하는 것은 주의해야 한다.

약한 참조로 참조되는 객체는 애플리케이션 코드 측에서 언제 가비지 컬렉션될지 알 수 없으며, 약한 참조를 통해서는 직접 객체 참조로 다룰 수 없다. 객체 참조로 이용하기 위해서는 약한 참조에서 임시적인 강한 참조로 일단 변환하고, 가비지 컬렉터(GC)로부터 보호해야 한다.^[10]

참조

_[1] 웹사이트 https://uk.mathworks[...]
_[2] 웹사이트 8.8. weakref — Weak references https://docs.python.[...]
_[3] 웹사이트 PHP: WeakReference - Manual https://www.php.net/[...]
_[4] 웹사이트 Practical Memory Management https://developer.ap[...]
_[5] 웹사이트 Understanding Weak References http://weblogs.java.[...] 2010-10-01
_[6] 웹사이트 WeakReference (Java Platform SE 7 ) http://docs.oracle.c[...]
_[7] 웹사이트 SoftReference - Android Developers https://developer.an[...]
_[8] 웹사이트 PhantomReference (Java Platform SE 7 ) http://docs.oracle.c[...]
_[9] 웹사이트 Java Examples https://web.archive.[...]
_[10] 웹사이트 Javaの理論と実践: 弱参照でメモリー・リークを塞ぐ https://web.archive.[...] IBM
_[11] 웹사이트 8.8. weakref — Weak references https://docs.python.[...]
_[12] 웹인용 PHP: WeakReference - Manual https://www.php.net/[...]