Unity-HashSet

C#의 HashSet이란 무엇인가

Unity 개발을 하다 다음과 같은 코드를 만들었다.

private readonly HashSet<Renderer> currentOccluders = new();

 

이 코드를 보면서 가장 먼저 든 생각은, 내가 기존에 써왔던 자료구조와 얼마나 비슷한가 하는 점이었다.

자체 엔진을 개발할 때는 unordered_set, unordered_map을 사용했고, 언리얼에서는 TSet, TMap을 주로 봐왔기 때문에, C#의 HashSet이 어떤 개념인지부터 정리할 필요가 있었다.

결론부터 말하면 HashSet<T>는 중복 없는 값들의 집합을 해시 기반으로 관리하는 자료구조다.

개념적으로는 C++의 std::unordered_set<T>나 언리얼의 TSet<T>와 매우 유사하다.

즉 HashSet은 목록을 순서대로 관리하기 위한 컨테이너가 아니라, 어떤 값이 집합 안에 존재하는지를 빠르게 판단하고 중복 없이 관리하기 위한 자료구조라고 보면 된다.

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HashSet은 어떤 자료구조인가

HashSet<T>는 해시 기반 집합 자료구조다.

값을 저장할 때 해시를 사용하고, 동일한 값이 이미 있는지 빠르게 검사할 수 있다.

중요한 점은 같은 값을 여러 번 넣으려고 해도 하나만 유지된다는 것이다.

즉 다음과 같은 특성을 가진다.

• 중복을 허용하지 않는다
• 순서를 보장하지 않는다
• 포함 여부 검사에 강하다
• 삽입과 제거가 빠른 편이다

카메라 오클루전처럼 이번 프레임에 어떤 오브젝트가 시야를 가리고 있는지 관리하는 상황에서는 이 특성이 그대로 장점이 된다.

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List와는 무엇이 다른가

List<T>와 HashSet<T>는 목적이 다르다.

List<T>는 순서 있는 목록을 다룰 때 적합하다.

인덱스로 접근할 수 있고, 같은 값을 여러 번 넣을 수도 있다.

반면 HashSet<T>는 순서가 중요하지 않고, 어떤 값이 이미 존재하는지가 중요할 때 적합하다.

같은 값을 여러 번 추가해도 하나만 남고, Contains()를 통해 특정 값이 집합 안에 있는지 빠르게 확인할 수 있다.

즉 List는 목록이고, HashSet은 집합이다.

카메라 가림 처리에서는 목록보다 집합의 의미가 훨씬 더 정확하다.

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C++의 unordered_set과 어떤 점이 비슷한가

C++ 경험이 있다면 HashSet<T>는 거의 std::unordered_set<T>에 대응한다고 보면 된다.

공통점은 다음과 같다.

• 해시 기반 자료구조다
• 중복 없는 원소 집합을 관리한다
• 포함 여부 검사에 강하다
• 순서를 보장하지 않는다

즉 C++에서 unordered_set을 사용해 본 경험이 있다면, C#의 HashSet도 거의 같은 개념으로 받아들여도 무방하다.

이름만 다를 뿐, 목적과 사용 감각은 상당히 비슷하다.

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언리얼의 TSet과는 어떤 점이 비슷한가

언리얼의 TSet과도 개념적으로 매우 유사하다.

TSet 역시 중복 없는 원소 집합을 관리하고, 특정 값이 현재 집합 안에 포함되어 있는지를 빠르게 확인할 때 사용된다.

Unity C#의 HashSet도 정확히 같은 방향의 문제를 해결하기 위해 쓰인다.

즉 자료구조의 역할만 놓고 보면 다음과 같이 대응시킬 수 있다.

• HashSet<T> ↔ std::unordered_set<T> ↔ TSet<T>

이렇게 보면 기존에 알고 있던 자료구조 감각을 거의 그대로 가져와도 된다.

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unordered_map이나 TMap과는 무엇이 다른가

여기서 함께 구분해야 하는 것이 있다.

HashSet은 집합(수학적 의미의..)이고, unordered_map이나 TMap은 맵이다.

즉

• HashSet<T>는 값만 저장한다
• Dictionary<TKey, TValue>는 키와 값을 쌍으로 저장한다

예를 들어 오클루전 처리 코드에서

private readonly Dictionary<Renderer, Material[]> materialCache = new();

이 부분은 HashSet이 아니라 맵 구조다.

개념적으로는 C++의 std::unordered_map이나 언리얼의 TMap과 더 가깝다.

대응 관계를 정리하면 이렇게 된다.

• HashSet<T> ↔ std::unordered_set<T> ↔ TSet<T>
• Dictionary<TKey, TValue> ↔ std::unordered_map<K, V> ↔ TMap<K, V>

즉 HashSet은 집합, Dictionary는 맵으로 이해하면 된다.

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HashSet이 카메라 오클루전 처리에 잘 맞는 이유

카메라 오클루전 처리에서는 매 프레임 이런 판단이 필요하다.

• 지금 이 렌더러가 플레이어를 가리고 있는가
• 더 이상 가리지 않게 되었는가
• 가리고 있으면 반투명 처리해야 하는가
• 가리지 않으면 원래 상태로 복구해야 하는가

이 과정에서 중요한 것은 어떤 렌더러가 현재 집합에 포함되어 있느냐이다.

순서나 중복 여부는 중요하지 않다.

그래서 HashSet<Renderer>는 이 문제에 매우 잘 맞는다.

currentOccluders.Add(renderer);

이렇게 하면 같은 렌더러가 여러 번 감지되어도 하나만 유지된다.

currentOccluders.Contains(renderer)

이렇게 하면 특정 렌더러가 현재 가림 상태인지 빠르게 판단할 수 있다.

즉 오클루전 처리에서 HashSet은 현재 가리는 대상의 집합을 표현하는 역할을 한다.

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HashSet은 내부적으로 어떻게 동작하는가

HashSet은 해시값을 기반으로 동작한다.

어떤 값을 집합에 넣으면, 그 값의 해시를 계산하고 내부 저장 구조 안에서 적절한 위치를 찾아 넣는다.

같은 값이 이미 존재하는지도 해시 기반으로 확인한다.

이 방식 덕분에 평균적으로 삽입, 삭제, 포함 여부 검사가 빠르다.

그래서 집합의 존재 여부를 자주 체크해야 하는 상황에 잘 맞는다.

유니티에서처럼 매 프레임 카메라 가림 대상을 갱신해야 하는 코드에서는 이 장점이 더 잘 드러난다.

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Renderer를 HashSet에 넣는다는 것은 무엇을 의미하는가

여기서 HashSet<Renderer>는 렌더러 객체 참조를 저장한다.

즉 지금 플레이어를 가리고 있는 것이 어떤 벽의 렌더러인지를 객체 단위로 기억하는 것이다.

같은 렌더러를 두 번 넣으려고 해도 하나만 유지되므로,

중복 감지를 신경 쓰지 않고 집합처럼 다룰 수 있다.

이 점은 실제 오클루전 처리에서 꽤 중요하다.

같은 벽이 여러 히트 결과로 들어오더라도, 최종적으로는 이 벽이 현재 가림 상태에 포함되는지만 알면 되기 때문이다.

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HashSet을 사용할 때 주의할 점

HashSet은 강력하지만, 목적에 맞게 써야 한다.

첫 번째로 순서를 기대하면 안 된다.

이 자료구조는 집합이지 목록이 아니므로, 몇 번째 원소인지 같은 개념은 의미가 없다.

두 번째로 중복 저장이 필요하다면 맞지 않는다.

같은 값을 여러 번 보관해야 하는 경우에는 List나 다른 구조가 더 적합하다.

세 번째로 비교 기준이 중요하다.

Unity 객체 참조처럼 동일성 비교가 명확한 경우에는 큰 문제가 없지만, 직접 만든 타입을 넣는 경우에는 해시와 동등성 비교 방식을 이해할 필요가 있다.

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정리

HashSet<T>는 C#에서 중복 없는 값의 집합을 관리하기 위한 해시 기반 자료구조다.

Unity에서는 카메라 오클루전 처리, 감지 시스템, 상호작용 대상 관리처럼 특정 값이 현재 포함되어 있느냐를 빠르게 확인해야 하는 상황에서 자주 유용하다.

핵심만 정리하면 다음과 같다.

• HashSet<T>는 집합 자료구조다
• 중복을 허용하지 않는다
• 순서를 보장하지 않는다
• 포함 여부 검사에 강하다
• C++의 std::unordered_set<T>와 매우 비슷하다
• 언리얼의 TSet<T>와도 비슷하다
• Dictionary는 unordered_map, TMap 쪽에 대응된다

즉 HashSet은 새로운 개념이라기보다, 이미 알고 있던 집합 자료구조가 C#과 Unity 문법으로 표현된 형태라고 보는 편이 훨씬 자연스럽다.

그리고 카메라 오클루전 코드에서 HashSet<Renderer>를 사용한 이유는 명확하다.

이번 프레임에 플레이어를 가리고 있는 렌더러 집합을 중복 없이 빠르게 관리하기 위해서다.