C++ Union과 Variant | "타입 안전 공용체" 가이드

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C++ Union과 Variant | "타입 안전 공용체" 가이드

이 글의 핵심

C++ Union과 Variant에 대해 정리한 개발 블로그 글입니다. union Data { int i; float f; char c; };

union 기본

union Data {
    int i;
    float f;
    char c;
};

int main() {
    Data d;
    
    d.i = 10;
    cout << d.i << endl;  // 10
    
    d.f = 3.14f;
    cout << d.f << endl;  // 3.14
    // d.i는 이제 유효하지 않음!
    
    cout << sizeof(Data) << endl;  // 4 (가장 큰 멤버)
}

union 문제점

// ❌ 타입 안전하지 않음
union Data {
    int i;
    float f;
};

Data d;
d.i = 10;
cout << d.f << endl;  // 쓰레기 값 (UB)

// ❌ 생성자/소멸자 있는 타입 불가
union Bad {
    string s;  // 에러! (C++11 이전)
};

std::variant (C++17)

#include <variant>

int main() {
    variant<int, double, string> v;
    
    v = 10;
    cout << get<int>(v) << endl;  // 10
    
    v = 3.14;
    cout << get<double>(v) << endl;  // 3.14
    
    v = string("Hello");
    cout << get<string>(v) << endl;  // Hello
    
    // 잘못된 타입 접근
    try {
        cout << get<int>(v) << endl;  // 예외
    } catch (const bad_variant_access& e) {
        cout << "타입 불일치" << endl;
    }
}

variant 방문자

#include <variant>

struct Visitor {
    void operator()(int i) {
        cout << "정수: " << i << endl;
    }
    
    void operator()(double d) {
        cout << "실수: " << d << endl;
    }
    
    void operator()(const string& s) {
        cout << "문자열: " << s << endl;
    }
};

int main() {
    variant<int, double, string> v;
    
    v = 10;
    visit(Visitor{}, v);  // 정수: 10
    
    v = 3.14;
    visit(Visitor{}, v);  // 실수: 3.14
    
    v = string("Hello");
    visit(Visitor{}, v);  // 문자열: Hello
}

실전 예시

예시 1: JSON 값

#include <variant>
#include <map>

class JsonValue {
public:
    using Value = variant<nullptr_t, bool, int, double, string, 
                          vector<JsonValue>, map<string, JsonValue>>;
    
    Value value;
    
    JsonValue() : value(nullptr) {}
    JsonValue(int i) : value(i) {}
    JsonValue(double d) : value(d) {}
    JsonValue(const string& s) : value(s) {}
    
    bool isNull() const { return holds_alternative<nullptr_t>(value); }
    bool isBool() const { return holds_alternative<bool>(value); }
    bool isInt() const { return holds_alternative<int>(value); }
    bool isDouble() const { return holds_alternative<double>(value); }
    bool isString() const { return holds_alternative<string>(value); }
    
    int asInt() const { return get<int>(value); }
    double asDouble() const { return get<double>(value); }
    string asString() const { return get<string>(value); }
};

int main() {
    JsonValue v1 = 42;
    JsonValue v2 = 3.14;
    JsonValue v3 = string("Hello");
    
    if (v1.isInt()) {
        cout << v1.asInt() << endl;
    }
}

예시 2: 상태 머신

struct Idle {};
struct Running { int progress; };
struct Paused { int savedProgress; };
struct Completed { string result; };

using State = variant<Idle, Running, Paused, Completed>;

class Task {
private:
    State state;
    
public:
    Task() : state(Idle{}) {}
    
    void start() {
        state = Running{0};
    }
    
    void pause() {
        if (auto* r = get_if<Running>(&state)) {
            state = Paused{r->progress};
        }
    }
    
    void resume() {
        if (auto* p = get_if<Paused>(&state)) {
            state = Running{p->savedProgress};
        }
    }
    
    void complete(const string& result) {
        state = Completed{result};
    }
    
    void printState() {
        visit( {
            using T = decay_t<decltype(s)>;
            
            if constexpr (is_same_v<T, Idle>) {
                cout << "대기 중" << endl;
            } else if constexpr (is_same_v<T, Running>) {
                cout << "실행 중: " << s.progress << "%" << endl;
            } else if constexpr (is_same_v<T, Paused>) {
                cout << "일시정지: " << s.savedProgress << "%" << endl;
            } else if constexpr (is_same_v<T, Completed>) {
                cout << "완료: " << s.result << endl;
            }
        }, state);
    }
};

int main() {
    Task task;
    
    task.printState();  // 대기 중
    task.start();
    task.printState();  // 실행 중: 0%
    task.pause();
    task.printState();  // 일시정지: 0%
}

예시 3: 에러 처리

template<typename T, typename E>
class Result {
private:
    variant<T, E> data;
    
public:
    Result(T value) : data(value) {}
    Result(E error) : data(error) {}
    
    bool isOk() const {
        return holds_alternative<T>(data);
    }
    
    bool isErr() const {
        return holds_alternative<E>(data);
    }
    
    T& value() {
        return get<T>(data);
    }
    
    E& error() {
        return get<E>(data);
    }
};

Result<int, string> divide(int a, int b) {
    if (b == 0) {
        return string("0으로 나눌 수 없음");
    }
    return a / b;
}

int main() {
    auto result = divide(10, 2);
    
    if (result.isOk()) {
        cout << "결과: " << result.value() << endl;
    } else {
        cout << "에러: " << result.error() << endl;
    }
}

예시 4: 플래그 집합

#include <bitset>

enum class Feature {
    FEATURE_A,
    FEATURE_B,
    FEATURE_C,
    FEATURE_D,
    FEATURE_COUNT
};

class FeatureFlags {
private:
    bitset<static_cast<size_t>(Feature::FEATURE_COUNT)> flags;
    
public:
    void enable(Feature f) {
        flags.set(static_cast<size_t>(f));
    }
    
    void disable(Feature f) {
        flags.reset(static_cast<size_t>(f));
    }
    
    bool isEnabled(Feature f) const {
        return flags.test(static_cast<size_t>(f));
    }
    
    void print() const {
        cout << "플래그: " << flags << endl;
    }
};

int main() {
    FeatureFlags features;
    
    features.enable(Feature::FEATURE_A);
    features.enable(Feature::FEATURE_C);
    
    features.print();  // 0101
    
    if (features.isEnabled(Feature::FEATURE_A)) {
        cout << "기능 A 활성화" << endl;
    }
}

variant vs union

특성unionvariant
타입 안전❌✅
복잡한 타입제한적✅
현재 타입 추적수동자동
성능빠름약간 느림

자주 발생하는 문제

문제 1: union 타입 추적

// ❌ 타입 추적 안함
union Data {
    int i;
    float f;
};

Data d;
d.i = 10;
// 나중에 i인지 f인지 모름!

// ✅ 태그 추가
struct TaggedData {
    enum Type { INT, FLOAT } type;
    union {
        int i;
        float f;
    };
};

// ✅ variant 사용 (더 좋음)
variant<int, float> data;

문제 2: variant 예외

// ❌ 예외 발생
variant<int, double> v = 10;
double d = get<double>(v);  // bad_variant_access

// ✅ get_if 사용
if (double* p = get_if<double>(&v)) {
    cout << *p << endl;
} else {
    cout << "타입 불일치" << endl;
}

// ✅ holds_alternative
if (holds_alternative<int>(v)) {
    cout << get<int>(v) << endl;
}

문제 3: 비트 필드 패딩

struct Flags {
    unsigned int a : 1;
    unsigned int b : 1;
    // 컴파일러가 패딩 추가 가능
};

cout << sizeof(Flags) << endl;  // 4 (예상: 1)

FAQ

Q1: union은 언제 사용하나요?

A:

  • 메모리 제약
  • C 호환성
  • 저수준 프로그래밍

Q2: variant는 언제 사용하나요?

A:

  • 타입 안전 필요
  • 여러 타입 중 하나
  • 에러 처리 (Result 타입)

Q3: union vs variant 성능?

A: union이 약간 빠르지만, 대부분 무시할 수 있습니다.

Q4: 비트 필드는 언제 사용하나요?

A:

  • 하드웨어 레지스터
  • 네트워크 프로토콜
  • 메모리 최적화

Q5: variant 오버헤드는?

A: 타입 인덱스 저장 (보통 1바이트)과 정렬 패딩입니다.

Q6: Union/Variant 학습 리소스는?

A:

  • cppreference.com
  • “Effective Modern C++”
  • “C++17: The Complete Guide”

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  • C++ PMR | “다형 메모리 리소스” 가이드
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