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C# - ref 필드로 ref struct 타입을 허용하지 않는 이유

지난 글에서 관리 포인터를 알아봤는데요,

C# - 관리 포인터로서의 ref 예약어 의미
; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/13273

관리 포인터는 GC 성능 문제로 인해 GC Heap 내에 필드로 존재할 수 없습니다. 그래서 class나 struct의 필드로는,

class MyClass
{
    public ref int N; // 컴파일 에러: error CS9059: A ref field can only be declared in a ref struct.
}

struct MyStruct
{
    public ref int N; // 컴파일 에러: error CS9059: A ref field can only be declared in a ref struct.
}

ref 유형을 정의할 수 없습니다. class는 당연히 GC Heap에 생성되므로 안 되고, struct의 경우에는 메서드 내에서 사용하는 경우라면 스택에 있겠지만 class의 필드로 포함되면 역시 GC Heap에 생성되므로 안 되는 것입니다.

그래서, 결국 (C# 7.2부터 지원하는) ref struct에서만 ref 필드를 가질 수 있게 되는데요,

ref struct MyRefStruct
{
    public ref int N;
}

재미있는 것은, 오직 GC Heap에 있는 인스턴스만을 저 ref 필드에 대입할 수 있다는 점입니다. 예를 들어 볼까요?

internal class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        int n = 5;
        MyRefStruct data = new MyRefStruct();

        data.N = ref n; // 컴파일 오류: error CS8374: Cannot ref-assign 'n' to 'N' because 'n' has a narrower escape scope than 'N'.
                        // error CS8374: 'n'을(를) 'N'에 참조 할당할 수 없습니다. 'n'이(가) 'N'보다 이스케이프 범위가 좁기 때문입니다.

        MyStruct ms = new MyStruct();
        data.N = ref ms.n; // 컴파일 오류: error CS8374: Cannot ref-assign 'n' to 'N' because 'n' has a narrower escape scope than 'N'.

        Program pg = new Program();
        data.N = ref pg.n; // 컴파일 정상
    }
}

ref struct MyRefStruct
{
    public ref int N;
}

public struct MyStruct
{
    public int n;
}

같은 메서드 내에서 정의했기 때문에 변수 n과 변수 data는 동일한 스택 프레임 위에 있는데도 불구하고 오류 메시지에서는 n이 data.N보다 해제가 더 빠르게 된다는 식으로 지적하고 있습니다. 또한 메서드 내에서 생성한 MyStruct 인스턴스도 스택에 있으므로 data.N에 대입을 못 시킵니다.

반면, 같은 int n이지만, class에 속해 있는 경우라면 data.N에 ref를 저장하고 있습니다.

그런데 사실, 위와 같은 코드라면 "C# - 관리 포인터로서의 ref 예약어 의미" 예제로 설명한 스택 범위에서의 문제가 발생하지 않습니다. (물론 그 예제에서처럼 return을 하면 문제가 됩니다.) 단지 저렇게 무조건 스택 변수를 받지 못하게 한 것은 다소 보수적인 입장으로 막은 것이 아닌가... 하는 추측입니다.

좀 더 따지고 보면, 이해할 수 없는 비교 코드가 하나 있긴 합니다.

int n = 5;

ref int N = ref n; // 컴파일 정상

MyRefStruct data = new MyRefStruct();
data.N = ref n; // 컴파일 오류

ref int도 같은 스택 프레임에 있고, 어차피 data.N도 같은 입장인데 왜? ref struct에 대해서만 저렇게 엄격한 escape 판단을 적용하는지 알 수 없습니다.




다소 특이하다고 생각할 수 있는데, ref 필드는 그 타입으로 ref struct 형식을 허용하지 않습니다.

ref struct MyRefData
{
}

ref struct MyRefStruct
{
    public ref int N;

    public ref MyRefData Data; // 컴파일 오류: error CS9050: A ref field cannot refer to a ref struct.
}

int도 값 형식이고, MyRefData도 값 형식인데 왜? ref struct에 대해서만 막은 것일까요?

사실, 그 이유를 이번 글의 내용을 숙지하셨다면 짐작할 수 있을 것입니다. 그러니까, int 값 형식도 스택에서 정의된 경우에는 ref 필드로 참조를 가질 수 없도록 C# 컴파일러가 막고 있었는데요, 그렇다면 항상 스택에만 생성되는 ref struct에 대해서는 당연히 C# 컴파일러가 막는 것이 맞습니다.

그런 이유로 결국, ref struct 내에는 ref Span 필드를 가질 수 없습니다.

public ref struct MyRefStruct
{
    public ref Span<int> data; // Span<T>는 ref struct이므로 컴파일 오류: error CS9050: A ref field cannot refer to a ref struct.
}




그나저나, ref 필드에 대입하는 필드가 스택인지 힙인지 알 수 없는 경우도 있습니다. 이에 대한 예제 코드를 이렇게 구성할 수 있는데요,

internal class Program
{
    int n;

    static void Main(string[] args)
    {
        int n = 5;
        Process(ref n); // 스택으로부터
        Process2(ref n);

        Program pg = new Program();
        Process(ref pg.n); // 힙으로부터
        Process2(ref pg.n);
    }

    static void Process(ref int n)
    {
        ref int temp = ref n; // 컴파일 정상

        MyRefStruct msf = new MyRefStruct();
        msf.N = ref n; // 컴파일 오류: error CS9079: Cannot ref-assign 'n' to 'N' because 'n' can only escape the current method through a return statement.
                       // error CS9079: 'n'은(는) return 문을 통해서만 현재 메서드를 이스케이프할 수 있으므로 'n'을(를) 'N'에 다시 할당할 수 없습니다.
    }

    static void Process2(ref int n)
    {
        MyRefStruct data = new MyRefStruct(ref n); // 컴파일 정상
    }
}

public ref struct MyRefStruct
{
    public ref int N;

    public MyRefStruct(ref int n)
    {
        N = ref n;
    }
}

위의 코드도 엄밀히 따지면 "ref int temp = ref n;" 코드가 정상 동작하는 것처럼 "msf.N = ref n;" 코드도 문제가 없을 상황입니다. 왜냐하면 메서드의 인자로 전달받은 것은 그것이 스택이든 힙이든지에 상관없이 메서드가 가진 스택 프레임의 바깥에 위치하기 때문에 ref struct 인스턴스가 살아 있는 범위를 넘어섰으므로 유효합니다. (저 코드에서 발생하는 컴파일 오류 메시지의 내용이 원인을 잘 설명하지도 못 하는 것 같습니다.)

이러한 차이점에 대한 해석을 억지로 해보자면, 전자의 코드는 하위 호환성을 위해 그냥 허용하고 ref struct부터 원래 적용했어야 할 기준을 설정한 것이 아닐까... 혹은 아직 ref field에 대한 C# 컴파일러의 유효성 체크를 더 다듬어야 하지 않을까... 라는 추측만 해봅니다. ^^ (혹시 정확한 차이점을 알고 계신 분은 덧글 부탁드립니다.)




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[최초 등록일: ]
[최종 수정일: 5/4/2023]

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