Rust에서 Box를 사용하여 옵션형, 알려진 길이의 배열 메모리 할당 최적화하기

배경

Rust는 메모리 안전성을 위해 컴파일 타임에 메모리 할당을 검사합니다. 이는 대부분의 경우 유리하지만, 옵션형(optional) 또는 알려진 길이(known length)의 배열을 다룰 때 불필요한 메모리 할당과 복사가 발생할 수 있습니다.

Box 사용하기

Box는 Rust에서 스마트 포인터 역할을 하는 자료구조입니다. Box를 사용하면 메모리 할당을 직접 관리하지 않고도 힙(heap) 메모리에 데이터를 저장할 수 있습니다.

예시

다음 예시는 Box를 사용하여 옵션형 배열을 메모리 할당하는 방법을 보여줍니다.

// Option<T>
let mut array: Option<Box<[i32]>> = None;

// 값 할당
if some_condition {
  array = Some(Box::new([1, 2, 3]));
}

// 값 사용
if let Some(array) = array {
  for element in array.iter() {
    println!("{}", element);
  }
}

이 예시에서 array는 옵션형 변수이며, Box::new()를 사용하여 힙 메모리에 배열을 할당합니다. array에 값이 할당된 경우, iter() 메서드를 사용하여 배열 요소를 반복할 수 있습니다.

장점

• 옵션형 배열의 경우, Box를 사용하면 불필요한 메모리 할당과 복사를 줄일 수 있습니다.
• 알려진 길이의 배열의 경우, Box를 사용하면 컴파일 타임에 배열 크기를 확인할 수 있어 메모리 안전성을 향상시킬 수 있습니다.

단점

• Box를 사용하면 메모리 관리가 더 복잡해질 수 있습니다.
• Box는 가비지 컬렉션(garbage collection) 대상이므로, 메모리 누수(memory leak)를 방지하기 위해 주의해야 합니다.

결론

예제 코드

옵션형 배열

// Option<T>
let mut array: Option<Box<[i32]>> = None;

// 값 할당
if some_condition {
  array = Some(Box::new([1, 2, 3]));
}

// 값 사용
if let Some(array) = array {
  for element in array.iter() {
    println!("{}", element);
  }
}

알려진 길이의 배열

// [T; n]
let array: Box<[i32]> = Box::new([1, 2, 3]);

// 값 사용
for element in array.iter() {
  println!("{}", element);
}

옵션형 배열

알려진 길이의 배열

Box 대체 방법

옵션형 배열

• Vec::with_capacity 메서드를 사용하여 배열 용량을 미리 할당할 수 있습니다.
• MaybeUninit 자료구조를 사용하여 초기화되지 않은 배열을 만들 수 있습니다.

알려진 길이의 배열

• [T; n] 형식을 사용하여 알려진 길이의 배열을 직접 선언할 수 있습니다.
• std::array::from_fn 함수를 사용하여 배열 요소를 직접 생성할 수 있습니다.

옵션형 배열 예시

// Vec::with_capacity
let mut array: Vec<i32> = Vec::with_capacity(3);

// 값 할당
if some_condition {
  array.push(1);
  array.push(2);
  array.push(3);
}

// 값 사용
for element in array.iter() {
  println!("{}", element);
}

// MaybeUninit
use std::mem::MaybeUninit;

let mut array: MaybeUninit<[i32; 3]> = MaybeUninit::uninit();

// 값 할당
if some_condition {
  unsafe {
    let mut array = array.assume_init();
    array[0] = 1;
    array[1] = 2;
    array[2] = 3;
  }
}

// 값 사용
if let Some(array) = unsafe { array.assume_init() } {
  for element in array.iter() {
    println!("{}", element);
  }
}

알려진 길이의 배열 예시

// [T; n]
let array: [i32; 3] = [1, 2, 3];

// 값 사용
for element in array.iter() {
  println!("{}", element);
}

// std::array::from_fn
use std::array;

let array: [i32; 3] = array::from_fn(|i| i + 1);

// 값 사용
for element in array.iter() {
  println!("{}", element);
}