C++20 std::span과 C++23 std::mdspan — 비소유 배열 뷰

개요

std::span은 C++20에서 도입된 비소유(non-owning) 연속 메모리 뷰입니다. 배열, std::vector, std::array 등 다양한 컨테이너를 복사 없이 참조할 수 있습니다. C++23의 std::mdspan은 이를 다차원으로 확장합니다.

---

1. std::span 기본

#include <span>
#include <vector>
#include <iostream>

void print_elements(std::span<const int> s) {
    for (int v : s)
        std::cout << v << ' ';
    std::cout << '\n';
}

int main() {
    std::vector<int> v = {1, 2, 3, 4, 5};
    int arr[] = {10, 20, 30};

    print_elements(v);          // vector → span
    print_elements(arr);        // C 배열 → span
    print_elements({v.data(), 3}); // 처음 3개만
}

---

2. 정적 익스텐트 vs 동적 익스텐트

#include <span>

// 동적 익스텐트 (크기를 런타임에 결정)
std::span<int> dynamic_span;

// 정적 익스텐트 (크기를 컴파일 타임에 고정)
std::span<int, 4> static_span;  // 항상 4개

int arr[4] = {1, 2, 3, 4};
std::span<int, 4> s = arr;  // OK
// std::span<int, 3> s2 = arr;  // 컴파일 오류: 크기 불일치

---

3. 부분 뷰 — subspan, first, last

#include <span>
#include <array>

std::array<int, 8> data = {0,1,2,3,4,5,6,7};
std::span<int> view = data;

auto front3 = view.first(3);          // {0,1,2}
auto back3  = view.last(3);           // {5,6,7}
auto middle = view.subspan(2, 4);     // {2,3,4,5}

---

4. 바이트 뷰 — as_bytes / as_writable_bytes

#include <span>
#include <cstddef>

void serialize(std::span<const std::byte> bytes) {
    // 바이트 단위 직렬화
}

float f = 3.14f;
auto bytes = std::as_bytes(std::span{&f, 1});
serialize(bytes);

---

5. C++23 std::mdspan — 다차원 배열 뷰

#include <mdspan>
#include <vector>

int main() {
    std::vector<double> data(6);

    // 2×3 행렬로 해석
    std::mdspan<double, std::extents<std::size_t, 2, 3>> mat(data.data());

    mat[0, 0] = 1.0;
    mat[0, 1] = 2.0;
    mat[1, 2] = 6.0;
}

---

6. 동적 extent mdspan

#include <mdspan>
#include <vector>

void matrix_multiply(
    std::mdspan<const double, std::dextents<std::size_t, 2>> A,
    std::mdspan<const double, std::dextents<std::size_t, 2>> B,
    std::mdspan<double,       std::dextents<std::size_t, 2>> C)
{
    for (std::size_t i = 0; i < A.extent(0); ++i)
        for (std::size_t j = 0; j < B.extent(1); ++j)
            for (std::size_t k = 0; k < A.extent(1); ++k)
                C[i, j] += A[i, k] * B[k, j];
}

---

7. span vs pointer+size 비교

항목	T* + size_t	std::span<T>
타입 안전	✗	✓
범위 검사	없음	디버그 모드
STL 호환	어려움	✓ (ranges)
오버헤드	없음	없음 (포인터+크기)

---

8. mdspan 레이아웃 정책

#include <mdspan>
#include <vector>

std::vector<double> data(12);
std::iota(data.begin(), data.end(), 0.0); // 0~11

// 행 우선 (C-style, 기본값) — 같은 행이 연속
using row_major = std::layout_right;
std::mdspan<double, std::extents<int, 3, 4>, row_major> A(data.data());

// 열 우선 (Fortran-style) — 같은 열이 연속
using col_major = std::layout_left;
std::mdspan<double, std::extents<int, 3, 4>, col_major> B(data.data());

// stride 레이아웃 — 임의 보폭 (슬라이스, 하위 행렬 접근)
std::array<std::size_t, 2> strides = {4, 1}; // 행 보폭=4, 열 보폭=1
std::layout_stride::mapping mapping(std::extents<int,3,4>{}, strides);
std::mdspan<double, std::extents<int,3,4>, std::layout_stride> C(data.data(), mapping);

---

9. 실전 패턴 — span 안전하게 사용하기

#include <span>
#include <cassert>

// 수명 주의: span은 참조이므로 원본이 살아있어야 함
std::span<int> dangerous() {
    std::vector<int> local = {1, 2, 3};
    return local; // 댕글링 포인터! local은 여기서 소멸
}

// 안전한 패턴: span을 매개변수로만 사용
void process(std::span<const int> data) {
    assert(!data.empty()); // 빈 span 방어
    for (int v : data) { /* 처리 */ }
}

// span을 반환할 때는 외부 버퍼만
std::span<int> get_first_half(std::span<int> data) {
    return data.first(data.size() / 2); // 원본 버퍼의 뷰
}

// API 설계: 읽기 전용은 const span
void read_only(std::span<const float> weights);
// 수정 가능은 비const span
void normalize(std::span<float> weights);

---

정리

std::span은 함수 인터페이스에서 배열 종류에 상관없이 연속 메모리를 받을 때 표준 방법입니다. T*와 size_t 쌍을 받는 기존 인터페이스를 std::span으로 교체하면 타입 안전성과 가독성이 동시에 향상됩니다. std::mdspan은 수치 계산이나 이미지 처리처럼 다차원 배열을 다룰 때 포인터 산술 없이 안전한 접근을 제공합니다.