[C]Chap11.1 - 메모리와 포인터 (1)

Chap11.1 - 메모리와 포인터 (1)

드디어 C언어의 꽃인 포인터다.

이번 장에서 실습을 제대로 하기 위해서는 몇가지 설정이 필요하다. 우선 나는 Chap02 ~ Chap10까지는 Linux, Mac OS에서 실습을 하여 gcc로 컴파일하였다. 하지만, 이번 장에서 포인터에 대해 실습할 때는 Windows 환경에서 Visual Studio 2017을 이용하여 실습을 진행하였다.

Visual Studio에서 새로운 프로젝트를 생성한 후 Alt + F7 를 눌러 프로젝트의 속성을 다음과 같이 수정해야 한다.

• [구성 속성] → [링커] → [고급] 에서 '임의 기준 주소' 옵션을 '아니요(/DYNAMICBASE:NO)' 로 설정해줘야 한다.

• 그 이유는 Windows7 이후 부터는 ASLR(Address Space Layout Randomization)을 지원하기 때문에 프로그램을 실행할 때마다 메모리 주소가 변경된다. 실습에서 메모리 주소를 고정해주기 위해 '아니요'로 설정한다.

11.1 컴퓨터와 메모리

변수의 본질은 메모리이며 모든 메모리는 자신의 위치를 식별하기 위한 근거로 고유번호(일련번호)를 갖는데, 이 번호를 메모리의 주소라 한다. 32비트 응용프로그램에서 1바이트 단위 메모리에 부여된 일련번호는 부호가 없는 32비트 정수이며, 보통 16진수로 표기한다.

주소로 메모리를 식별하는 것은 low-level 특성이며, high-level에서는 주소보다는 이름(식별자)으로 식별한다. 따라서, 변수의 선언 및 정의는 메모리 확보를 의미하며, 선언 시 부여한 이름으로 확보한 메모리를 식별한다.

변수를 이루는 세 가지 요소는 다음과 같다.

• 이름이 부여된 메모리

• 그 안에 담긴 정보

• 메모리의 주소

다음 예제코드는 단항 연산자인 주소 번지 연산자(주소 연산자)를 이용해 해당 변수의 이름 즉, 변수의 메모리 주소를 출력하는 코드이다.

  // pointer01.c
  ​
  #include <stdio.h>
  ​
  int main(void){
      
      int nData = 10;
      printf("%s\n", "nData");
  ​
      // 변수 nData에 들어 있는 값을 출력
      printf("%d\n", nData);
      // 변수 nData의 메모리 주소를 출력
      printf("%p\n", &nData);  // %p: pointer, 16진수로 출력
      return 0;
  }
  /* 출력결과
  nData
  10
  0061FF2C
  */

위의 코드를 요약하면 아래와 같다

"변수명이 nData인 부호가 없는 32비트 정수형 메모리의 실제 주소는 0x0061FF2c이고, 그 안에 저장된 정보는 10진 정수인 10이다."

11.1.1 메모리의 종류

메모리는 용도에 따라 스택(stack), 힙(heap), 데이터 영역(data section), 텍스트 영역(text section)등으로 나눌 수 있다.

11.1.2 포인터 변수의 선언 및 정의

포인터 변수는 메모리의 주소를 저장하기 위한 전용 변수 이다. 메모리의 주소는 집주소처럼 위치정보로 생각할 수 있으며, 포인터를 "주소가 적힌 메모지"로 생각할 수 있다.

메모리의 주소는 단항 연산자인 주소 연산자를 사용하여 컴파일 시 해당 변수의 메모리 주소를 알 수 있다. 예를 들어 &nData 라는 연산은 "변수명이 nData인 메모리의 실제 주소는?"이라는 의미이다.

그러면, 이번에는 주소 연산과 정반대되는 개념의 연산자인 '간접지정 연산자(*)'에 대해 알아보자. 여기서 '지정'이라는 말은 임의 대상 메모리에 대한 길이와 해석방법 즉, 자료형을 지정한다는 의미이다. 예를 들어 아래의 그림과 같이 메모리의 주소가 0x0012FF60인 메모리를 int형으로 지정한다는 뜻은 총 네 바이트의 메모리(0x0012FF60~63 인 메모리 덩어리)를 한 세트로 보고 int형 변수로 취급한다는 뜻이다.

따라서, 자료형이란 "일정 길이(또는 크기)의 메모리에 저장된 정보를 해석하는 방법"이다.

위의 그림처럼 int형 변수를 지정하는 방법은 '직접지정'과 '간접지정'이 있는데, 직접지정은 int nData; 처럼 변수명으로 선언 및정의하는 방법을 말한다. 간접지정은 변경될 수 있는 임의의 기준주소로 상대적인 위치(주소)를 식별하는 방식이며, 어떤 기준을 근거로 상대인 메모리의 위치를 설명하는 방법을 말한다.

아래의 예제는 포인터 변수의 선언 및 정의 그리고 간접지정 연산자와 주소 연산자의 사용에 대한 예제코드 이다.

  
  #include <stdio.h>
  ​
  int main(void)
  {
  ​
      // int 형식 변수 선언 및 정의
      int x = 10;
      // 변수 x를 가리키는 int 형식에 대한 포인터 변수 선언 및 정의
      int *pnData = &x;
  ​
      printf("x : %d\n", x);
  ​
      // pnData 포인터 변수가 가리키는 대상 메모리를 int 형 변수로
      // 간접지정하고 20을 대입한다.
      // 현재 가리키는 대상 메모리는 변수 x의 메모리이므로 x의 값이 20이 된다.
      *pnData = 20;
      printf("x : %d\n", x);
  ​
      // pnData를 출력해보자
      printf("pnData의 값 : %p\n", pnData);
      printf("x의 주소(&x) : %p\n", &x);
  ​
      /* 
      즉, pnData의 값은 x의 메모리 주소(&x)이므로 
      이것을 간접연산자 *를 통해 변수 x라고 식별하고
      여기에 *pnData = 20 이라고 해주는 것은
      x = 20이라는 것과 같은 것이 된다.
      */
  ​
      return 0;
  }
  ​
  /* 출력결과
  x : 10
  x : 20
  pnData의 값 : 0019FEF8
  x의 주소(&x) : 0019FEF8
  */

위의 예제를 직접 확인 하려면 Visual Studio 2017에서 다음과 같이 실행해주면 된다.

• int *pnData = &x; 행에 위치 중단점을 설정(F9)하고,

• 디버그 모드로 실행(F5) 한 다음

• 메모리를 직접 조사(Alt + 6)한다.

• 메모리 창의 주소창에 &pnData입력한 뒤

• F10을 눌러 결과를 확인한다.

위의 코드에서 *pnData의 의미는 "포인터 변수 pnData에 저장된 주소를 가진 메모리를 int형 변수로 취급한다." 라는 뜻이다.

디버깅 모드에서 F10을 눌러 *pnData 부분을 실행해 주면 아래와 같이 x의 메모리 주소의 값이 변경된 것을 확인할 수 있다.

11.1.3 포인터와 배열

배열의 이름은 0번 요소의 주소이며, 전체 배열을 대표하는 식별자이다. 포인터 변수는 주소를 저장하기 위한 변수이므로 "배열의 이름이 주소이므로, 포인터 변수에 저장할 수 있다." 라는 추론이 가능하다. 즉, int형 포인터에 int형 변수의 주소만 담을 수 있는 것이 아니라, int형 배열의 이름도 담을 수 있다.

  // ptrnarray01.c
  ​
  #include <stdio.h>
  ​
  int main(void){
      // int 배열 선언 및 정의. 배열의 이름은 연속된 각 요소들 중
      // 전체를 대표하는 0번째 요소에 대한 '주소 상수'이다.
      int aList[5] = { 0 };
      // int에 대한 포인터 변수를 배열의 이름으로 정의한다.
      int *pnData = aList;  // => int *pnData = &aList[0];
  ​
      // 배열의 0번 요소의 값을 출력한다.
      printf("aList[0] : %d\n", aList[0]);
  ​
      // 포인터가 가리키고 있는 배열의 0번 요소의 값을 변경하고 출력한다.
      *pnData = 20;
      printf("aList[0] : %d\n", aList[0]);
      printf("pnData[0] : %d\n", pnData[0]);
  ​
      return 0;
  }
  ​
  /* 출력결과
  aList[0] : 0
  aList[0] : 20
  pnData[0] : 20
  */

위의 코드에서 int *pnData = aList 부분은 int형 배열의 이름을 "int에 대한 포인터의 초기값"으로 정의했다. 이 부분을 int *pnData = &aList[0]라고도 할 수 있다. 또한 int *pnData = &aList[1](또는 &aList[2]) 처럼 지정하여 배열의 특정 index의 주소로 정의할 수도 있다. *pnData=20;에서 *pnData는 간접지정 연산자이며 "pnData포인터에 저장된 수소의 메모리를 int형 변수로 지정"한 것이다.

마지막으로, printf("pnData[0] : %d\n", pnData[0]); 에서의 결과값은 aList[0]의 값과 같다. 그 이유는 *pnData = aList에서 포인터 변수 pnData에 저장된 주소를 기준으로 오른쪽으로 int 0 개 떨어진 위치(주소)의 메모리를 int형 변수로 지정한다는 의미이기 때문이다. 따라서 *pnData = 20를 *(pnData + 0) = 20 로 쓸 수 있으며, 이 것은 또한 pnData[0] 과 같다.

다음 예제는 배열에 저장된 문자열의 길이를 측정하는 프로그램을 포인터 변수에 저장된 주소값을 증가시키는 방법으로 구현한 것이다.

  // ptrstring01.c
  #include <stdio.h>
  // strlen() 함수를 사용하기 위한 헤더 포함
  #include <string.h>
  ​
  int main(void){
  ​
      // 문자 배열(char[16])의 선언 및 정의
      // 선언한 크기는 char[16]이지만 초기화는 char[6] 문자열로 한다.
      char szBuffer[16] = { "Hello" };
      // 문자 배열을 가리키는 문자 포인터 변수의 선언 및 정의
      char *pszData = szBuffer;
      int nLength = 0;
  ​
      // pszData 포인터 변수가 가리키는 대상에 저장된 char형 데이터가
      // 문자열의 끝을 의미하는 NULL 문자가 될 때까지 반복문 수행
      while(*pszData != '\0'){
          pszData++;
          nLength++;
      }
  ​
      // strlen() 함수로 문자열의 길이(바이트 단위 크기)를 출력한다.
      printf("Length : %d\n", nLength);
      printf("Length : %d\n", strlen(szBuffer));
      printf("Length : %d\n", strlen("World"));
  ​
      return 0;
  }
  /* 출력결과
  Length : 5
  Length : 5
  Length : 5
  */