C 포인터 이해와 활용 (1)

• 포인터에 대해서 복습하고 모르던 내용을 다시 되집어 보기 위해서 다음 책을 읽고 정리한 내용이다.

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• 포인터를 얼마나 확실하게 이해하고 효율적으로 사용하는 가로 초보와 전문 C 프로그래머를 구분할 수 있다.

• 사실 포인터의 기본적인 개념은 매우 간닪다. 포인터는 메모리 위치의 주소를 저장하는 변수일 뿐이다.

포인터와 메모리

컴파일된 C 프로그램은 다음 세가지 종류의 메모리를 사용한다.

• 정적(Static) / 전역(Global)

정적으로 선언된 변수들은 정적/전역 메모리에 할당된다. 또한 전역 변수들 또한 같은 메모리 공간에 할당된다. 정적/전역 변수들은 프로그램이 시작될 때 할다오디며, 프로그램이 종료될 때까지 메모리 공간에 남아 있다. 모든 함수에서 접근할 수 있는 전역 변수와는 달리 정적 변수의 접근 범위는 해당 변수를 선언한 함수로 제한된다

• 자동 (Automatic) / 로컬 (Local)

자동 변수는 함수 안에서 선언되고 함수가 호출될 때 생성된다. 자동 변수의 접근 범위는 선언된 함수로 제한되며, 함수가 호출되는 동안에만 존재한다. 일반적으로 블록문 안에서 선언된 변수의 범위는 해당 블록으로 제한한다. 이들은 종종 자동 변수라고 언급된다.

• 동적 (Dynamic)

동적 (Dynamic) 메모리는 힙(Heap) 메모리 영역에 할당되고 필요한 경우에 해제된다. 포인터를 사용하여 할당된 메모리 영역을 참조하며, 포인터에 의해 접근이 제한 된다. 메모리를 해제하지 않는 한 메모리레 존재한다.

포인터를 잘 알아야하는 이유

• 빠르고 효율적인 코드 작성
• 다양한 문제에 대한 효과적인 해결 방법 제공
• 동적 메모리 할당 지원
• 작고 간결한 표현의 사용
• 큰 오버헤드 없이 데이터 구조를 포인터로 전달
• 함수의 매개 변수로 전달된 데이터 보호

포인터를 잘 사용하면 강력한 도구이지만, 포인터를 이용할 때는 다음과 같은 다양한 문제가 발생할 수 있다.

• 배열이나 데이터 구조의 경계를 넘는 접근
• 소멸한 자동/로컬 변수의 참조
• 할당 해제된 힙 메모리의 참조
• 아직 할당되지 않은 포인터에 대한 역참조

포인터 선언하기

• 포인터 변수는 데이터 타입과 별표 그리고 변수 이름을 순서대로 나열하여 선언한다. 아래 예제 에서는 정수 변수와 정수 포인터 변수를 선언하고 있다.

int num;
int *pi;

주소 연산자

주소 연산자(&)는 변수의 주소를 반환하다. 아래와 같이 주소 연산자를 사용하여 pi 포인터를 num 변수의 주소로 초기화 할 수 있다.

num = 0
pi = #

가상 메모리와 포인터

• 주소 출력을 좀 더 복잡하게 하기 위해서 가상 운영체제에서 표시되는 포인터의 주소가 실제 물리 메모리 주소가 될 가능성은 없다.

• 가상 운영체제는 프로그램이 머신의 물리 주소 공간을 나눠 사용할 수 있게 하며, 프로그램은 페이지/프레임 단위로 물리 주소 공간을 나눠 사용한다.

• 애플리케이션의 페이지는 잠재적으로 연속적이지 않은 메모리 공간에 할당되거나 동시에 메모리상에 존재 하지 않을 수 도 있다.

• 운영체제는 페이지에 의해 메모리를 유지할 필요가 있을 때 보조 기억장치에 기록하고 필요한 시점에 다시 읽어들이며 이전과는 다른 메모리 공간에 할당된다.

• 운영체제에서 실행되는 각각의 프로그램들은 머신의 전체 물리 메모리 공간에 접근할 수 있다고 가정되지만, 실제로는 그렇지 않다.

• 각각의 프로그램에서 사용하는 주소는 실제 물리 메모리 주소와는 다른 가상 주소이다.

• 운영체제는 필요한 시점에 이 가상 주소를 실제 물리 메모리 주소로 변환한다.

• 즉 페이지에 있는 코드와 데이터는 프로그램이 실행될 때 메모리의 서로 다른 물리 위치에 존재할 수 있다. 애플리케이션의 가상 주소는 실행중에 변경되지 않으며, 포인턴의 내용을 출력할 때 우리가 보게 되는 주소이다 또한 가상 주소는 실제 주소로 운영체제에 의해서 투명하게 변환된다.

간접지정 연산자로 포인터 역참조하기

• 간접 지정 연산자 (*)는 포인터 변수가 가리키는 위치의 값을반환하며 참조 연산자로 포인터 값의 역참조를 하는 역할을 한다.

int num = 5;
int *pi = #


printf("%d\n", *pi); // 5

• 그리고 또한 좌변값(left-value)에 의해서 참조 연산자의 결과를 사용할 수 있다.

• 좌변값은 할당 연산자의 좌측에 위치한 피연산자를 말한다. 모든 좌변값은 값이 할당될 수 있도록 변경 가능한 값이어야 한다.

*pi = 200;
printf("%d\n", num);

함수 포인터

• 포인터는 함수를 가리키도록 선언할 수 있으며 함수 포인터 선언은 일반적인 포인터 표기법에 비해서 다소 복잡하다.

void (*foo)();

NULL의 개념

• 널은 흥미로운 주제이다. 하지만 종종 널이 가진 다양한 개념들이 잘못 이해되거나 혼란을 일으킨다. 널은 다음과 같은 개념들을 포함한다.

- 널 개념
- 널 포인터 상수
- NULL 매크로
- NUL 아스키 문자
- 널 문자열
- 널 문장

• 포인터에서 NULL이 할당되면 해당 포인터는 아무것도 가리키지 않음을 의미한다.

• 널 개념은 포인터가 다른 포인터와 다른 포인터와 특별한 값을 가질 수 있다는 것을 의미한다.

• 널이 할당된 포인터는 메모리의 어떤 영역도 가리키지 않으며 두 개의 널 포인터는 항상 서로 같다.

• 일반적이지는 않지만, 문자 포인터나 정수 포인터와 같이 포인터 타입을 위한 널 포인터 타입이 있는 경우도 있다.

• 실제 널의 개념은 널 포인터 상수에 의해 지원되는 추상적인 개념이다. 널 포인터 상수는 0이거나 0이 아닐 수 있으며, C 개발자는 널 상수의 실제 내부적인 표현에 대해서 신경쓰지 않아도 된다.

• NULL 매크로는 상수 정수 0을 void 포인터로 캐스팅 한 것이다. 많은 라이브러리에서 다음과 같이 정의한다.

#define NULL ((void*) 0)

• NULL 포인터는 연결 리스트에서 종종 리스트의 끝을 표시하기 위해 사용되는 것 처럼, 많은 데이터 구조의 표현에서 매우 유용하게 사용된다.

• 포인터 변수 pi에 널 값을 할당하기 위해서는 다음과 같이 NULL 타입을 사용할 수 있다.

pi = NULL;

널 포인터와 초기화되지 않은 포인터는 명백히 다르다. NULL을 포함한 포인터가 메모리상의 어떤 위치도 참조하지 않지만, 초기화되지 않은 포인터는 어떤 값이라도 포함될 수 있으며 참조될 수 있다.

포인터는 논리식에서 단독으로 피연산자로 사용될 수 있다. 예를 들어서, 아래 코드처럼 포인터가 NULL로 설정되었는지 테스트 할 수 있다.

if (pi) {
  // 널이 아닌 경우
} else {
  // 널인 경우
}

널 포인터가 포함한 주소는 유효한 주소가 아니므로 절대로 역참조 해서는 안되며, 널 포인터에 대한 역참조는 프로그램에 대한 비정상 종료를 초래한다.

void 포인터

void 포인터는 어떤 타입의 데이터도 참조할 수 있는 범용 포인터이다.

void *pv;

void 포인터 선어에는 두 가지 흥미로운 것이 있다.

• void 포인터는 char 포인터와 같은 표현과 메모리 정렬 방법을 사용한다.

• void 포인터는 다른 포인터와 절대 같지 않다. 하지만 NULL 값이 할당된 두 개의 void 포인터는 서로 같다. void 포인터의 실제 동작은 시스템에 따라서 서로 다르다.

int num;
int *pi = #
printf("Value of pi: %p\n", pi); // Value of pi: 0x7ffee6dfd9cc
void* pv = pi;
pi = (int*) pv;
printf("Value of pi: %p\n", pi); // Value of pi: 0x7ffee6dfd9cc

void 포인터 사용시 주의가 필요하다.
임의의 포인터를 void 포인터로 캐싱팅 한 후에, 기존 타입이 아닌 전혀 다른 타입의 포인터로 캐스팅하더라도 이를 막을 방법이 없다.

size_t size = sizeof(void*); // valid
size_t size = sizeof(void); // invalid

전역 포인터와 정적 포인터

• 포인터가 전역 또는 정적으로 선언되면, 해당 포인터는 프로그램 시작 시에 NULL로 초기화 된다.

int *globalpi;

void foo() {
  static int *staticpi;
}

int main() {
  ...
}

포인터의 크기와 데이터 타입

• 포인터의 크기는 애플리케이션의 호환성과 다른 환경으로의 이식 가능성을 고민할 때 문제가 된다.

• 포인터의 크기는 사용하는 장비와 컴파일러에 따라서 다르다.

메모리 모델

• 64비트 컴퓨터의 도입으로 C 기본 데이터 타입의 메모리 크기 차이가 더 확실해졌다.

• 컴퓨터와 컴파일러들은 C 기본 데이터 타입의 메모리 할당을 위해서 저마다 다른 옵션의 메모리 모델을 가지고 있다.

I In L Ln LL LLn P Pn

사전 정의된 포인터 관련 데이터 타입

• 포인터를 다룰 때, 네 가지의 사전 정의된 데이터 타입이 종종 사용된다.

• size_t, ptrdiff_t, intptr_t, uintptr_t

size_t 타입의 이해

• size_t 타입은 C 언어에서 임의의 객체가 가질 수 있는 최대 크기를 나타낸다. 크기를 표현하는 데 음수의 사용은 의미가 없기 때문에, size_t는 부호 없는 정수를 사용한다.

• size_t 타입을 쓰는 이유는 시스템에서 주소 지정이 가능한 메모리 영역과 일치하는 크기를 선언하는 이식 가능한 방법을 제공하기 위해서이다.

문자의 수나 배열 인덱스와 같은 크기 변수를 선언할 때는
size_t 타입을 사용하는 것이 좋다.
size_t 타입은 반복문이나 카운터나 배열의 참조 그리고 때로는 포인터 연산에서 사용될 수 있다.

intptr_t, uintptr_t 사용하기

• intptr_t, uintptr_t 타입은 포인터의 주소를 저장하는데 사용된다.

• 이 두 타입은 다른 환경으로 이식이 가능하고, 안전한 포인터 선언 방법을 제공하며, 시스템 내부에서 사용하는 포인터와 같은 크기다.

• 포인터를 정수 표현으로 변환할 때 유용하게 사용할 수 있다.

상수와 포인터

• C 에서 포인터와 const 키워드를 함게 사용하면 매우 강력한 기능이 제공된다.

• const 키워드와 포인터의 사용은 몇몇 상황에 전혀 새로운 방식의 데이터 보호 방법을 제공한다.

상수에 대한 포인터

• 포인터는 상수를 가리키도록 정의될 수 있다. 이 말은 곧 포인터가 참조하는 값을 수정하는 데 사용될 수 없음을 의미한다.

• 다음 예제에서 상수 정수를 선언한다. 다음으로 정수에 대한 포인터와 상수 정수에 대한 포인터를 선언하고 각각의 정수로 초기화 한다.

int num = 0;
const int limit = 500;
int *pi;
const int *pci;

pi = #
pci = &limit;

• 상수 포인터에 대한 역참조는 단지 정수의 값을 읽기만 한다면 문제가 없다.

printf("%d\n", *pci);

• 포인터가 참조하는 값을 변경하기 위해서 상수 포인터를 역참조할 수는 없다. 그러나 포인터 값 자체는 상수가 아니므로 포인터 자체의 값은 변경할 수 있다.

• 즉, 포인터는 다른 상수 정수나 정수를 사용하기 위해서 변경될 수 있다. 상숭 포인터 값 자체의 변경은 전혀 문제가 되지 않는다.

• 상수 포인터 선언은 단지 포인터를 통해 참조된 값의 변경만을 제한한다.

pci = #

상수 정수를 가리키는 pci 포인터 변수의 선언은 다음을 의미한다.

• pci는 다른 상수 정수를 가리키도록 할당될 수 있다.
• pci는 다른 비상수 정수를 가리키도록 할당될 수 있다.
• pci는 가리키는 정수의 값을 읽기 위해 역참조 될 수 있다.
• pci는 가리키는 정수의 값을 변경하기 위해 역참조 될 수 없다.

비상수를 가리키는 상수 포인터

• 비상수를 가리키는 상수 포인터 역시 선언할 수 있으며, 이 선언의 의미는 포인터 자체의 값, 즉 가리키는 대상은 변경할 수 없지만 포인터가 가리키는 곳의 값은 변경할 수 있음을 의미한다.

int num;
int *const cpi = #

위 선언은 다음을 의미한다.

• cpi 변수는 비상수 변수로 초기화 되어야한다.
• cpi 변수는 변경될 수 없다.
• cpi 포인터 변수가 가리키는 변수의 값은 변경할 수 없다.

상수를 가리키는 상수 포인터

상수를 가리키는 상수 포인터는 거의 사용되지 않는다. 포인터 값은 변경될 수 없으며, 포인터가 가리키는 값 역시 포인터를 통해 변경될 수 없다.

const int* const cpic = &limit;

다중 수준 상수 포인터

상수 포인터는 다중 수준의 간접 지정이 가능하다.

const int * const cpci = &limit;
const int * const * pcpci;

참고 문헌

• C 포인터의 이해와 활용