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[궁금시리즈] 6-7. Closure(클로저)는 무엇일까?

4 minute read

다음 코드를 보자.

Action action;

void CreateAction()
{
    int count = 0;

    action = () =>
    {
        count++;
        Console.WriteLine(count);
    };
}

CreateAction();

action();
action();
action();

실행 결과는

1
2
3

이다.   여기서 이상한 점이 있다. count는

CreateAction()

메서드의 지역 변수이다.   메서드가 끝났다면 지역 변수도 사라져야 한다.   그런데 람다는 어떻게 count를 계속 사용할 수 있는 것일까?   바로 이것이 Closure(클로저)이다.

지역 변수의 수명

일반적인 지역 변수는 Stack에 생성된다.

void Test()
{
    int value = 10;
}

메모리는

Test() 시작

↓

Stack

value = 10

↓

Test() 종료

↓

Stack 제거

즉, 메서드가 끝나면 지역 변수도 함께 사라진다.

그런데 람다는 지역 변수를 사용한다

다음 코드를 다시 보자.

Action action;

void CreateAction()
{
    int count = 0;

    action = () =>
    {
        Console.WriteLine(count);
    };
}

람다는 count를 사용한다.   하지만 람다는 CreateAction이 끝난 뒤에도 실행될 수 있다.   그러면 사라진 Stack 변수를 어떻게 읽을 수 있을까?

컴파일러가 특별한 클래스를 만든다

정답은 컴파일러가 숨겨진 클래스를 하나 만드는 것이다.   이를 흔히 Display Class라고 부른다.   개념적으로는 다음과 비슷한 코드가 생성된다.

class DisplayClass
{
    public int count;
}

그리고 지역 변수는 이 객체의 필드가 된다.

실제로는 이렇게 바뀐다 컴파일러는 개념적으로 다음과 비슷하게 변환한다.

class DisplayClass
{
    public int count;

    public void Lambda()
    {
        count++;

        Console.WriteLine(count);
    }
}

그리고 원래 코드는

DisplayClass display = new();

display.count = 0;

action = display.Lambda;

처럼 변환된다.   즉, 람다는 지역 변수를 사용하는 것이 아니라 Display Class의 필드를 사용하는 것이다.

Stack에서 Heap으로 이동한다

원래

count

↓

Stack

이었다.   하지만 람다가 사용하면

Display Class

↓

Heap

↓

count

가 된다.   즉, 지역 변수가 Heap으로 승격되는 것이다.   이를 Variable Capture 또는 Closure라고 부른다.

메모리 구조

원래라면

Stack

count = 0

만 존재한다.   하지만 Closure가 발생하면

Stack

↓

DisplayClass 참조

-----------------

Heap

DisplayClass

count = 0

가 된다.   람다는 DisplayClass의 count를 참조한다.   그래서 메서드가 끝난 뒤에도 값이 유지된다.

왜 값이 계속 증가할까?

다음 코드를 보자.

Action action;

void Create()
{
    int count = 0;

    action = () =>
    {
        count++;
        Console.WriteLine(count);
    };
}

많은 사람들이 매번 count가 새로 생성된다고 생각한다.   하지만 람다는 동일한 Display Class를 계속 참조한다.   즉,

count = 0

↓

1

↓

2

↓

3

이 되는 것이다.

foreach에서 유명했던 문제

예전 C#에서는 다음 코드가 문제가 되었다.

List<Action> actions = new();

foreach (int number in numbers)
{
    actions.Add(() =>
    {
        Console.WriteLine(number);
    });
}

많은 사람들이

1

2

3

을 기대했다.   하지만 예전에는

3

3

3

처럼 출력되는 경우가 있었다.   모든 람다가 같은 변수를 캡처했기 때문이다.   현재 C#에서는 foreach의 동작이 개선되어 이 문제는 해결되었다.   하지만 for 문에서는 비슷한 실수를 여전히 할 수 있다.

for 문에서는 지금도 주의해야 한다

다음 코드를 보자.

List<Action> actions = new();

for (int i = 0; i < 3; i++)
{
    actions.Add(() =>
    {
        Console.WriteLine(i);
    });
}

foreach (Action action in actions)
{
    action();
}

실행 결과는

3
3
3

이다.

람다가 i의 값을 복사한 것이 아니라, 같은 변수 i를 캡처했기 때문이다. 원하는 결과를 얻으려면 반복마다 새로운 지역 변수를 만들어야 한다.

for (int i = 0; i < 3; i++)
{
    int current = i;

    actions.Add(() =>
    {
        Console.WriteLine(current);
    });
}

이제 결과는

0
1
2

가 된다.

성능에 영향이 있을까?

Closure가 발생하면 Display Class 객체가 Heap에 생성된다.   즉, 추가적인 메모리 할당이 발생한다. 또한 GC의 대상도 된다. 대부분의 경우에는 문제가 되지 않는다.   하지만 매 프레임 수천 개의 람다를 생성하는 게임이나 고성능 서버에서는 불필요한 Closure 생성을 줄이는 것이 좋다.   특히 Unity에서는 Update() 안에서 지역 변수를 캡처하는 람다를 반복 생성하면 GC Alloc의 원인이 될 수 있다.

실제 .NET에서는 어떻게 동작할까?

컴파일러는 람다가 지역 변수를 캡처하는 것을 발견하면 자동으로 Display Class를 생성한다.   람다는 그 Display Class의 인스턴스 메서드로 변환된다.   즉, 원래 코드

() =>
{
    Console.WriteLine(count);
}

는   개념적으로

display.Lambda();

를 호출하는 Delegate가 되는 것이다. 개발자는 Display Class를 직접 볼 수 없지만, 컴파일러가 자동으로 생성하여 Closure를 구현한다.

실무에서 자주 하는 오해

가장 흔한 오해는

람다가 지역 변수의 값을 복사한다.

라는 것이다.   실제로는 값을 복사하는 것이 아니라 변수 자체를 캡처한다. 그래서 캡처된 변수가 변경되면 람다에서도 변경된 값을 보게 된다.   또 하나의 오해는

Closure는 람다만의 기능이다.

라는 것이다.   익명 메서드도 지역 변수를 캡처할 수 있으며, 이 경우에도 동일하게 Display Class가 생성된다. 즉, Closure는 람다의 기능이 아니라 지역 변수를 캡처하는 메커니즘이다.

마무리

Closure는 람다가 지역 변수를 사용할 수 있도록 컴파일러가 제공하는 기능이다. 컴파일러는 지역 변수를 그대로 유지하는 것이 아니라 Display Class라는 숨겨진 클래스를 생성하고, 지역 변수를 그 클래스의 필드로 옮긴다. 람다는 이 객체를 참조하기 때문에 메서드가 종료된 이후에도 동일한 변수를 계속 사용할 수 있다.   이러한 구조는 매우 편리하지만, 추가적인 Heap 할당과 변수 캡처로 인한 의도하지 않은 동작을 만들 수도 있다. 따라서 Closure의 동작 원리를 이해하는 것은 성능 최적화와 버그를 예방하는 데 매우 중요하다.   다음 글에서는 Event는 Delegate와 무엇이 다를까?를 살펴보며 Delegate 위에 Event가 왜 추가되었는지와 캡슐화 관점에서 Event가 필요한 이유를 알아보겠다.

핵심 정리

  • Closure는 람다가 지역 변수를 계속 사용할 수 있게 하는 메커니즘이다.
  • 컴파일러는 지역 변수를 캡처하면 Display Class를 자동으로 생성한다. -캡처된 지역 변수는 Stack이 아니라 Heap의 Display Class 필드로 이동한다.
  • 람다는 값이 아니라 변수 자체를 캡처한다.
  • foreach의 캡처 문제는 최신 C#에서 해결되었지만, for 문에서는 여전히 주의해야 한다.
  • Closure는 추가적인 Heap 할당과 GC의 원인이 될 수 있다.
  • 익명 메서드도 동일한 방식으로 Closure를 사용한다.

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