Rust vs C++: 성능, 안전성 및 구문 비교

프로그래밍 언어 선택은 소프트웨어 개발에서 중요한 결정입니다. Rust와 C++ 는 특히 성능과 저수준 제어가 필요할 때 자주 비교되는 두 가지 강력한 언어입니다. 둘 다 이러한 기능을 제공하지만 메모리 안전성, 동시성 및 전반적인 프로그래밍 경험에서 크게 다릅니다. 이 기사에서는 Rust와 C++ 의 기능, 장점, 단점 및 이상적인 사용 사례를 심층적으로 비교하여 개발자가 현명하게 선택할 수 있도록 돕습니다.

Rust의 등장: C++의 한계 해결

C++ 는 오랫동안 임베디드 시스템, 게임 개발, 운영 체제 커널과 같은 성능이 중요한 영역에서 지배적이었습니다. 그러나 오래된 만큼 복잡성과 잠재적인 함정이 있습니다. Mozilla에서 후원하는 Rust는 C++ 의 문제점, 특히 메모리 안전성과 동시성을 해결하도록 설계되었습니다. Rust는 개발자들로부터 꾸준히 높은 평가를 받고 주요 기술 회사에서 채택되면서 상당한 견인력을 얻었습니다.

메모리 관리: 근본적인 차이

Rust와 C++ 의 가장 중요한 차이점은 메모리 관리에 대한 접근 방식입니다. C++ 는 전통적으로 수동 메모리 관리를 사용하여 개발자가 메모리 할당 및 할당 해제를 직접 제어할 수 있습니다. 이는 유연성을 제공하지만 다음과 같은 메모리 관련 오류의 위험을 초래합니다.

댕글링 포인터(Dangling pointers): 해제된 메모리를 참조하는 포인터.
메모리 누수(Memory leaks): 더 이상 사용되지 않지만 해제되지 않은 할당된 메모리.
버퍼 오버플로우(Buffer overflows): 할당된 버퍼 한계를 초과하여 데이터를 쓰는 것.
이중 해제(Double frees): 동일한 메모리 영역을 두 번 해제하려고 시도하는 것.
해제 후 사용(Use-after-free): 메모리가 할당 해제된 후 액세스하는 것.

이러한 오류는 충돌, 보안 취약점 및 예측할 수 없는 동작으로 이어질 수 있습니다. C++는 이러한 문제를 완화하기 위해 세심한 코딩과 광범위한 디버깅이 필요합니다.

Rust는 컴파일 타임에 시행되는 소유권(ownership) 및 대여(borrowing) 시스템을 사용하여 다른 접근 방식을 취합니다. 이는 가비지 컬렉터 없이 메모리 안전성을 제공합니다. 핵심 원칙은 다음과 같습니다.

소유권(Ownership): 각 값에는 명확한 단일 소유자가 있습니다.
대여(Borrowing): 코드는 일시적으로 값을 빌릴 수 있지만 소유권은 유지됩니다.
수명(Lifetimes): 컴파일러는 참조 수명을 추적하여 유효성을 보장합니다.

Rust의 "대여 검사기(borrow checker)"는 이러한 규칙을 적용하여 C++에서 흔히 발생하는 많은 메모리 오류를 방지합니다. 이는 안전성을 크게 높이고 디버깅을 줄입니다.

// Rust 소유권 예제
fn main() {
    let s1 = String::from("hello"); // s1이 문자열을 소유합니다.
    let s2 = s1;                 // 소유권이 s2로 이동합니다.
    // println!("{}", s1);       // s1이 더 이상 데이터를 소유하지 않으므로
                                 // 컴파일 타임 오류가 발생합니다.
    println!("{}", s2);          // s2는 여기서 사용할 수 있습니다.
}

최신 C++는 스마트 포인터(std::unique_ptr, std::shared_ptr) 및 RAII(Resource Acquisition Is Initialization) 관용구를 제공하여 할당 해제를 자동화하고 누수를 방지합니다. 그러나 이것이 모든 위험을 제거하는 것은 아닙니다. Rust의 컴파일 타임 보장은 더 강력한 수준의 안전성을 제공합니다.

// C++ 스마트 포인터 예제
#include <iostream>
#include <memory>

int main() {
    std::unique_ptr<int> ptr1(new int(10)); // ptr1이 정수를 소유합니다.
    // std::unique_ptr<int> ptr2 = ptr1;   // 이중 해제 문제를 방지하기 위해
                                           // 컴파일 타임 오류가 발생합니다.
    std::unique_ptr<int> ptr2 = std::move(ptr1); // 소유권이 *이전*됩니다.

    if (ptr1) {
      std::cout << *ptr1 << std::endl; // `ptr1`이 이제 null이므로 실행되지 않습니다.
    }

    if (ptr2) {
        std::cout << *ptr2 << std::endl; // 10을 출력합니다.
    }

    return 0;
} // ptr2가 범위를 벗어나면 정수가 자동으로 할당 해제됩니다.

동시성: 설계에 의한 안전한 병렬 처리

프로그램이 여러 작업을 동시에 실행할 수 있도록 하는 동시성은 또 다른 주요 차이점입니다. C++ 는 수동 스레드 관리 및 동기화(뮤텍스, 잠금)를 제공합니다. 그러나 올바른 동시 C++ 코드를 작성하는 것은 어렵고 데이터 경합(data race)이 일반적인 문제입니다. C++ 에서는 std::atomic 및 std::mutex와 같은 도구를 사용하여 데이터 경합을 피할 수 있지만 정확성을 보장하기 위해 신중하고 수동적인 노력이 필요합니다.

Rust의 소유권 및 대여 시스템은 동시성으로 확장됩니다. 대여 검사기는 컴파일 타임에 데이터 경합을 방지하여 Rust에서 동시 프로그래밍을 더 안정적이고 오류 발생 가능성을 줄입니다.

// Rust 동시성 예제 (AtomicUsize 사용)
use std::thread;
use std::sync::atomic::{AtomicUsize, Ordering};
use std::sync::Arc;

fn main() {
    let counter = Arc::new(AtomicUsize::new(0)); // 공유, 변경 가능한 카운터
    let mut handles = vec![];

    for _ in 0..10 {
        let counter = Arc::clone(&counter);
        let handle = thread::spawn(move || {
            counter.fetch_add(1, Ordering::SeqCst); // 원자적으로 증가
        });
        handles.push(handle);
    }

    for handle in handles {
        handle.join().unwrap();
    }

    println!("Result: {}", counter.load(Ordering::SeqCst)); // 10을 출력합니다.
}

// C++ 동시성 예제 (std::atomic 사용)
#include <iostream>
#include <thread>
#include <atomic>
#include <vector>

int main() {
    std::atomic<int> counter(0); // 원자적 카운터
    std::vector<std::thread> threads;

    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        threads.emplace_back([&counter]() {
            counter++; // 원자적 증가
        });
    }

    for (auto& thread : threads) {
        thread.join();
    }

    std::cout << "Result: " << counter << std::endl; // 10을 출력합니다.
    return 0;
}

이 예제는 두 언어가 모두 동시성을 달성하는 방법을 보여주지만 Rust의 컴파일 타임 검사는 상당한 안전성 이점을 제공합니다. C++ 예제는 std::atomic을 사용하지 않으면 데이터 경합이 발생할 수 있습니다.

성능: 치열한 경쟁

Rust와 C++ 는 모두 고성능으로 유명합니다. C++ 의 직접적인 메모리 제어와 저수준 하드웨어 액세스는 속도에 기여합니다. Rust의 성능은 매우 경쟁력이 있으며 벤치마크에서 C++ 와 일치하는 경우가 많습니다. 그러나 고성능 컴퓨팅(HPC)에서는 C++ 가 더 성숙한 SIMD(Single Instruction, Multiple Data) 최적화로 인해 이점을 갖는 경우가 많습니다.

Rust의 안전성 검사는 런타임 오버헤드가 최소화되어 실제 애플리케이션에서는 무시할 수 있는 경우가 많습니다. 메모리 안전성과 안전한 동시성의 이점은 특히 복잡한 프로젝트에서 이를 능가하는 경우가 많습니다.

HPC와 같은 특수한 시나리오에서는 C++ 가 성숙도, 컴파일러 최적화 및 광범위하고 고도로 조정된 라이브러리로 인해 약간의 우위를 가질 수 있습니다. 그러나 Rust의 성능은 지속적으로 향상되고 있으며 격차가 좁혀지고 있습니다.

표준 라이브러리 및 에코시스템: 성숙도 vs. 미니멀리즘

C++는 크고 성숙한 표준 라이브러리(STL)를 가지고 있어 많은 컨테이너, 알고리즘 및 유틸리티를 제공합니다. 이는 미리 구축된 솔루션을 제공하는 이점이 될 수 있습니다. 그러나 STL에는 오래된 구성 요소가 포함되어 있으며 복잡할 수 있습니다.

Rust의 표준 라이브러리는 더 미니멀하며 핵심 기능과 안전성을 강조합니다. 추가 기능은 Cargo에서 관리하는 “크레이트”(패키지)를 통해 제공됩니다. C++의 에코시스템보다 어리지만 Rust의 커뮤니티는 활발하고 빠르게 성장하고 있습니다.

메타프로그래밍: 템플릿 vs. 트레이트 및 매크로

메타프로그래밍(다른 코드를 조작하는 코드를 작성하는 것)은 두 언어 모두에서 강력합니다. C++ 는 컴파일 타임 계산 및 코드 생성을 위해 템플릿 메타프로그래밍을 사용합니다. 그러나 C++ 템플릿은 복잡하고 컴파일 시간을 늘릴 수 있습니다.

Rust는 트레이트 기반 제네릭과 매크로를 사용합니다. 어떤 면에서는 C++ 템플릿보다 강력하지 않지만 Rust의 접근 방식은 더 읽기 쉽고 일관성이 있습니다.

오류 처리: 명시적 결과 vs. 예외

Rust와 C++는 오류를 다르게 처리합니다. Rust는 Result 유형을 사용하여 명시적인 오류 검사를 촉진합니다. 이를 통해 오류 처리를 예측 가능하게 만들고 예기치 않은 예외를 줄입니다.

// Rust Result 예제
fn divide(x: f64, y: f64) -> Result<f64, String> {
    if y == 0.0 {
        Err("0으로 나눌 수 없습니다".to_string())
    } else {
        Ok(x / y)
    }
}

fn main() {
    match divide(10.0, 2.0) {
        Ok(result) => println!("결과: {}", result),
        Err(err) => println!("오류: {}", err),
    }

    match divide(5.0, 0.0) {
        Ok(result) => println!("결과: {}", result), // 도달하지 않습니다.
        Err(err) => println!("오류: {}", err),       // "오류: 0으로 나눌 수 없습니다"를 출력합니다.
    }
}

C++ 는 전통적으로 예외를 사용합니다. 예외는 성능 오버헤드를 유발하고 신중하게 처리하지 않으면 리소스 누수로 이어질 수 있습니다. 최신 C++ 는 또한 std::optional 및 C++ 23부터 std::expected를 제공하여 Rust의 Result와 같은 보다 명시적인 오류 처리 스타일을 가능하게 합니다. 그러나 std::expected는 아직 비교적 새롭고 많은 C++ 코드베이스에서 널리 사용되지 않습니다.

//C++ 예외 및 std::optional 예제
#include <iostream>
#include <optional>
#include <stdexcept>

double divide_exception(double x, double y) {
    if (y == 0.0) {
        throw std::runtime_error("0으로 나눌 수 없습니다");
    }
    return x / y;
}

std::optional<double> divide_optional(double x, double y) {
    if (y == 0.0) {
        return std::nullopt;
    }
    return x / y;
}
int main() {
    try {
      std::cout << divide_exception(10.0,2.0) << std::endl;
      std::cout << divide_exception(1.0,0.0) << std::endl;
    }
    catch (const std::runtime_error& error)
    {
        std::cout << "Error:" << error.what() << std::endl;
    }

    if (auto result = divide_optional(5.0, 2.0)) {
        std::cout << "결과: " << *result << std::endl;
    }

    if (auto result = divide_optional(5.0, 0.0)) {
        // 이 블록은 실행되지 않습니다.
    } else {
        std::cout << "0으로 나눌 수 없습니다 (optional)" << std::endl;
    }

    return 0;
}

컴파일: 모듈식 vs. 전처리기 기반

Rust의 컴파일은 "크레이트"를 기본 단위로 하는 모듈식입니다. 이를 통해 더 빠른 증분 빌드와 더 나은 종속성 관리가 가능합니다. C++ 는 전통적으로 별도 컴파일과 함께 전처리기 기반 모델을 사용합니다. 유연하지만 특히 대규모 프로젝트에서 빌드 시간이 느려질 수 있습니다. C++20은 이를 해결하기 위해 모듈을 도입했지만 채택이 진행 중입니다.

구문 및 기능: 중복 및 차이

Rust의 구문은 C 및 C++ 와 유사하여 C++ 개발자가 쉽게 접근할 수 있습니다. 그러나 Rust는 함수형 프로그래밍의 영향을 통합하여 더 현대적인 스타일을 만듭니다.

두 언어 모두 객체 지향 프로그래밍(OOP)을 지원하지만 방식이 다릅니다. C++ 는 클래스, 상속 및 다형성을 갖춘 다중 패러다임입니다. Rust는 OOP를 위해 구조체, 열거형, 트레이트 및 메서드를 사용하지만 전통적인 클래스 상속은 없습니다. Rust의 접근 방식은 더 유연하고 C++ 상속의 복잡성을 피하는 것으로 간주됩니다.

Rust의 단점

Rust는 많은 이점을 제공하지만 단점을 인정하는 것이 중요합니다.

가파른 학습 곡선: Rust의 소유권 시스템, 대여 검사기 및 수명 개념은 특히 시스템 프로그래밍에 익숙하지 않은 초보자에게 어려울 수 있습니다. 컴파일러의 엄격함은 유익하지만 처음에는 더 많은 컴파일 타임 오류로 이어질 수 있습니다.
제한된 GUI 프레임워크 지원: Rust의 GUI 에코시스템은 C++ 에 비해 덜 성숙합니다. 옵션(예: Iced, egui, Relm4)이 있지만 Qt 또는 wxWidgets와 같은 기존 C++ GUI 프레임워크와 동일한 수준의 기능과 완성도를 제공하지 못할 수 있습니다.
더 작은 에코시스템(일부 영역에서): 빠르게 성장하고 있지만 Rust의 에코시스템은 특히 게임 개발 라이브러리 또는 특수 과학 컴퓨팅 도구와 같은 특정 영역에서 C++ 보다 여전히 작습니다.
컴파일 시간: 증분 빌드에는 종종 좋지만 Rust의 전체 빌드는 프로젝트의 복잡성과 매크로 사용에 따라 유사한 C++ 프로젝트보다 느릴 수 있습니다.

사용 사례: 각 언어의 강점

Rust는 다음에 적합합니다.

시스템 프로그래밍: 안전성과 성능이 중요한 운영 체제, 장치 드라이버 및 임베디드 시스템 만들기.
WebAssembly (Wasm): 웹 애플리케이션에 Rust의 안전성과 성능을 사용하여 브라우저용 코드를 컴파일합니다.
보안이 중요한 애플리케이션: 메모리 안전성과 취약점 방지가 중요한 경우.
동시성이 높은 애플리케이션: 향상된 신뢰성으로 고도로 동시적인 시스템 개발.
블록체인 및 핀테크: 안전하고 신뢰할 수 있는 금융 애플리케이션 구축.

C++는 여전히 다음에 대한 강력한 선택입니다.

게임 개발: 최신 게임, 특히 AAA 타이틀의 성능 요구 사항에는 C++의 세분화된 제어가 필요한 경우가 많습니다.
고성능 컴퓨팅(HPC): 과학 시뮬레이션, 데이터 분석 및 까다로운 작업.
레거시 시스템: 기존 C++ 코드베이스 유지 관리 및 확장.
운영 체제: 많은 현재 운영 체제가 C++로 작성되었으며 OS 개발의 주요 언어로 남아 있습니다.
대규모 기존 라이브러리가 있는 애플리케이션: 개발 속도가 우선 순위일 때 C++의 광범위한 라이브러리가 이상적입니다.

미래: 공존과 진화

Rust와 C++ 는 공존할 가능성이 높습니다. C++ 의 대규모 코드베이스와 성능이 중요한 영역에서의 사용은 지속적인 관련성을 보장합니다. 그러나 Rust는 메모리 안전성과 동시성이 가장 중요한 곳에서 기반을 확보하고 있습니다. 특히 안전이 우선시되는 새로운 프로젝트의 경우 특정 영역에서 Rust로의 점진적인 전환이 있을 수 있습니다.

결론: 적합한 도구 선택

Rust와 C++ 중 선택은 프로젝트의 우선 순위에 달려 있습니다. Rust는 현대적이고 안전 우선 접근 방식을 제공하여 메모리 안전성, 동시성 및 간소화된 개발 경험을 중시하는 개발자에게 이상적입니다. C++ 는 비교할 수 없는 성능과 세분화된 제어를 통해 원시 속도와 레거시 호환성이 중요한 시나리오에서 여전히 사용됩니다. 두 언어 모두 자체적으로 강력하며 가장 적합한 선택은 해결하려는 문제에 따라 다릅니다. 경우에 따라 두 언어의 상호 운용성을 활용하면 두 세계의 장점을 모두 얻을 수 있습니다. 궁극적으로는 작업에 적합한 도구를 선택하는 것이며 Rust와 C++ 는 모두 제공할 것이 많습니다.

Rust vs C++: 성능, 안전성 및 사용 사례 비교