[C]Chap11.2 - 메모리와 포인터 (2)

11.2 메모리 동적 할당 및 관리

지금까지 예제코드에서 봐온 변수들은 메모리를 할당하고 해제하는 과정을 컴파일러가 자동으로 관리해주기 때문에 메모리 관리에 신경을 쓰지 않아도 됐었다. 그래서 이러한 변수들을 자동변수라고 불렀다.

그렇다면, 이제 메모리 동적 할당 및 관리에 대해 알아보자. malloc()과 free()함수는 메모리를 동적으로 할당 및 해제하는 함수다.

malloc() 함수를 이용하면 자동변수로 사용할 수 있는 메모리와는 비교할 수도 없을 만큼 큰 메모리를 자유롭게 '동적(dynamic)'으로 다룰 수 있다. 즉, 프로그램 실행 중에 대량의 메모리가 필요한 경우 바로 할당이 가능하다. 대신 이러한 할당에는 반환(또는 해제)을 해주어야 한다.

• void *malloc(size_t size);

  • Description : 할당받은 메모리는 반드시 free()함수를 이용해 반환해야하며, 메모리를 초기화하려면 memset()함수를 이용해야한다. 기본적으로는 쓰레기값이 들어있다.

  • Parameters : size - 할당받을 메모리의 바이트 단위 크기

  • Return : 힙(heap) 영역에 할당된 메모리 덩어리 중 첫 번째 바이트 메모리의 주소, 에러 발생 시 NULL 반환

• void free(void *memblock)

  • Description : 동적으로 할당받은 메모리를 운영체제에 반환하는 함수

  • Parameters : memblock - 반환할 메모리의 주소

  • Return : 없음

malloc() 함수는 인수로 전달받은 정수만큼의 바이트 단위 메모리를 동적으로 할당하고 주소를 반환한다. 이 주소는 할당받은 메모리 전체에 대한 기준주소이다. 메모리의 사용이 끝난 다음에는 반드시 free()함수를 이용해 메모리를 운영체제에 반환해야 한다.

다음 예제는 malloc(), free() 함수를 이용해 포인터 변수인 pList에 메모리를 동적할당한 후 반환하는 코드다.

  // ptrmalloc01.c
  #include <stdio.h>
  // malloc() 함수를 사용하기 위한 헤더 포함
  #include <stdlib.h>
  ​
  int main(void){
  ​
      int *pList = NULL, i = 0;
  ​
      // 12바이트(sizeof(int) * 3) 메모리를 동적 할당하고 시작주소를
      // pList 포인터 변수에 저장
      pList = (int*)malloc(sizeof(int)*3);
  ​
      // 동적 할당한 대상 메모리를 배열 연산자로 접근한다.
      pList[0] = 10;  // *(pList + 0) = 10;
      pList[1] = 20;
      pList[2] = 30;
  ​
      for(i=0; i<3; ++i)
          printf("%d\n", pList[i]);
      
      // 동적 할당한 메모리를 해제한다.
      free(pList);
      return 0;
  }
  /*
  출력결과
  10
  20
  30
  */

위의 코드를 디버깅모드를 통해 메모리를 조사해보면 아래의 그림처럼 확인할 수 있다.

만약에 위의 코드에서 free(pList);를 주석으로 처리한 후 실행하면 에러는 발생하지 않지만, 할당 받은 메모리를 반환하지 않아, 메모리 누수(memory leak)가 발생하게 된다.

11.2.1 메모리 초기화 및 사용(배열)

할당된 메모리는 일단 0으로 초기화하는 것이 바람직하다. 그 이유는 메모리를 할당할때 운영체제에서 할당할 메모리를 빌려오는 것이기 때문에 할당될 메모리안에 어떠한 값이 들어 있는지 모르기 때문이다. memset()과 calloc() 함수를 이용해 할당받은 메모리를 초기화할 수 있다.

• void *memset(void *dest, int c, size_t count)

  • Description : 동적으로 할당받은 메모리에는 쓰레기 값이 있으므로 일반적으로 0으로 초기화하여 사용

  • Parameters :

    • dest - 초기화할 대상 메모리 주소

    • c - 초기값, 이 값이 0이면 메모리를 0으로 초기화

    • count - 초기화 대상 메모리의 바이트 단위 크기

  • Return : 대상 메모리 주소

• void *calloc(size_t num, size_t size)

  • Description : malloc()함수와 달리 할당받은 메모리를 0으로 초기화하여 전달한다. 할당받은 메모리는 반드시 free() 함수를 이용하여 반환해야한다.

  • Parameters :

    • num - 요소의 개수

    • size - 각 요소의 바이트 단위 크기

  • Return : 힙(heap) 영역에 할당된 메모리 덩어리 중 첫 번째 바이트 메모리의 주소. 할당된 메모리의 크기는 num * size의 값이다. 에러가 발생하면 NULL 반환

  // ptrmeminit01.c
  #include <stdio.h>
  // malloc(), calloc() 함수를 위한 헤더 포함
  #include <stdlib.h>
  // memset() 함수를 위한 헤더 포함
  #include <string.h>
  ​
  int main(void){
      int *pList = NULL, *pNewList = NULL;
  ​
      // A. int형 3개 배열 선언 및 정의(0 초기화)
      int aList[3] = { 0 };
  ​
      // B. int형 3개를 담을 수 있는 크기의 메모리를 동적으로 할당한 후
      // 메모리를 모두 0으로 초기화
      pList = (int*)malloc(sizeof(int) * 3);
      memset(pList, 0, sizeof(int) * 3);
  ​
      // C. int형 3개를 담을 수 있는 메모리를 0으로 초기화한 후 할당받음
      pNewList = (int*)calloc(3, sizeof(int));
  ​
      for(int i=0; i<3; ++i)
          printf("pList[%d]의 값 : %d\n", i, pList[i]);
  ​
      for (int i = 0; i < 3; ++i)
          printf("pNewList[%d]의 값 : %d\n", i, pNewList[i]);
  ​
      // 동적 할당한 메모리들을 해제
      free(pList);
      free(pNewList);
      return 0;
  }
  /* 출력결과
  pList[0]의 값 : 0
  pList[1]의 값 : 0
  pList[2]의 값 : 0
  pNewList[0]의 값 : 0
  pNewList[1]의 값 : 0
  pNewList[2]의 값 : 0
  */

위의 코드를 디버깅모드를 통해 메모리를 조사해보면 아래의 그림처럼 확인할 수 있다.

11.2.2 메모리 복사

예를 들어 int num = 10; 처럼 단순 대입연산자는 오른쪽 r-value값인 10을 왼쪽 피연산자인 num 즉, l-value에 복사한다. 이 과정에서 num의 기존 정보는 유실되고 새로운 정보로 덮어 씌어진다. 이러한 단순 대입 연산에서 피연산자가 변수(l-value)일 경우, 그 개수가 1개라고 전제하여 그 1개에 대해 대입이 이루어진다.

반면, 배열처럼 여러 인스턴스가 있는 경우에는 단순 대입으로 r-value를 l-value로 복사할 수가 없다. 따라서, 배열에 대입 연산을 수행하려면 각 요소의 개수만큼 for문이나 while문을 통해 요소별로 일일이 대입 연산을 수행해야한다. 하지만, memcpy()함수를 사용하여 이러한 귀찮은 작업을 대신할 수 있다.

• void *memcpy(void *dest, const void *src, size_t count)

  • Description : 특정 주소로 시작하는 일정 길이의 메모리에 저장된 값을 대상 메모리에 그대로 복사해준다.

  • Parameters :

    • dest - 대상 메모리 주소

    • src - 복사할 원본 데이터가 저장된 메모리 주소

    • count - 복사할 메모리의 바이트 단위 크기

  • Return : 대상 메모리 주소

  // ptrmemcpy01.c
  #include <stdio.h>
  // memcpy() 함수를 위한 헤더포함
  #include <string.h>
  ​
  int main(void){
      char szBuffer[12] = { "HelloWorld" };
      char szNewBuffer[12] = { 0 };
  ​
      // 원본에서 4 바이트만 대상 메모리로 복사
      memcpy(szNewBuffer, szBuffer, 4);
      puts(szNewBuffer);
  ​
      // 원본에서 6 바이트만 대상 메모리로 복사
      memcpy(szNewBuffer, szBuffer, 6);
      puts(szNewBuffer);
  ​
      // 원본 메모리 전체를 대상 메모리로 복사
      memcpy(szNewBuffer, szBuffer, sizeof(szBuffer));
      puts(szNewBuffer);
      return 0;
  }
  /* 출력결과
  Hell
  HelloW
  HelloWorld
  */

11.2.3 메모리 비교(memcmp(), strcmp())

memcmp()

• int memcmp(const void *buf1, const void *buf2, size_t count);

  • Description : 첫 번째 인자로 전달된 주소의 메모리에 저장된 값에서 두 번째 인자로 전달된 주소에 저장된 메모리의 값을 빼서 두 값이 같은지 비교한다. 즉, 주어진 길이만큼 두 메모리를 비교하는 함수이다.

  • Parameters :

    • buf1 - 비교 원본 메모리 주소

    • buf2 - 비교 대상 메모리 주소

    • count - 비교할 메모리의 바이트 단위 크기

  • Return :

    • 0 - 두 값이 같음

    • 0 - buf1이 buf2 보다 더 큼

    • 0 - buf2가 buf1보다 더 큼

  // ptrmemcmp01.c
  ​
  #include <stdio.h>
  #include <string.h>
  ​
  int main(void){
  ​
      char szBuffer[12] = {"TestString"};
      char *pszData = "TestString";
  ​
      // 두 메모리에 저장된 값이 같은 경우
      printf("%d\n", memcmp(szBuffer, pszData, 10));
  ​
      // 왼쪽("teststring")이 더 큰 경우 ASCII 숫자상 t > T이기 때문
      printf("%d\n", memcmp("teststring", pszData, 10));
  ​
      // 오른쪽(pszData)이 더 큰 경우
      printf("%d\n", memcmp("DataString", pszData, 10));
  ​
      return 0;
  }
  /*출력결과
  0
  1
  -1
  */

memcmp()함수는 아래의 그림처럼 메모리 하나 하나를 1:1로 비교해 메모리를 비교한다.

strcmp()

먼저, strcmp()함수를 알아보기 전에 다음 예제를 살펴보자.

  // ptrstrcmp01.c
  ​
  #include <stdio.h>
  ​
  int main(void){
  ​
      char szBuffer[12] = { "TestString" };
      char *pszData = "TestString";
  ​
      // 다음 코드들은 두 문자열이 같은지 비교하는 것이 아니라
      // 문자열이 저장된 메모리의 위치가 같은지 비교하는 것이다.
      printf("%d\n", szBuffer == pszData);
      printf("%d\n", "TestString" == pszData);
      printf("%d\n", "DataString" == "TestString");
      return 0;
  }
  /* 출력결과
  0
  1
  0
  */

위의 코드를 작성한 의도는 두 문자열이 같은지를 비교하기 위해 작성한 것이다. 하지만, 문자열은 배열이므로, 배열의 이름은 주소 다. 따라서 위의 == 부분은 모두 주소가 같은 주소인지 비교하는 것이다. 따라서, 주소를 비교하는 것이 아닌 문자열 내용을 비교하기 위해서는 strcmp()함수를 이용하면 된다.

• strcmp(const char *string1, const char *string2);

  • Description : 대소문자를 식별하여 두 문자열이 같은지 비교하는 함수

  • Parameters :

    • string1 - 비교할 문자열이 저장된 메모리 주소

    • string2 - 비교할 문자열이 저장된 메모리 주소

  • Return :

    • 0 - 두 문자열이 같음

    • 0 - string1이 sting2보다 알파벳 순서상 나중

    • 0 - string2가 나중

위의 ptrstrcmp01.c 코드를 다음과 같이 수정하면 문자열 내용을 비교할 수 있다.

  // ptrstrcmp02.c
  ​
  #include <stdio.h>
  #include <string.h>
  ​
  int main(void)
  {
  ​
      char szBuffer[12] = {"TestString"};
      char *pszData = "TestString";
  ​
      // 다음 코드들은 두 문자열이 같은지 비교하는 것이 아니라
      // 문자열이 저장된 메모리의 위치가 같은지 비교하는 것이다.
      printf("%d\n", strcmp(szBuffer, pszData));
      printf("%d\n", strcmp("TestString", pszData));
      printf("%d\n", strcmp("Test", "TestString"));
      return 0;
  }
  /* 출력결과
  0
  0
  -1
  */

11.2.4 문자열 검색

strstr()함수는 두 문자열의 주소를 인자로 받아 검색하여 결과를 반환해 주는 함수이다.

• char strstr(const char *string, const char *strCharSet)

  • Description : 임의의 대상 문자열에서 특정 문자열을 검색하는 함수

  • Parameters :

    • string - 검색 대상이 될 문자열이 저장된 메모리 주소

    • strCharSet - 검색할 문자열이 저장된 메모리 주소

  • Return :

    • 문자열을 찾으면 해당 문자열이 저장된 메모리 주소 반환

    • 찾지 못하면 NULL 반환

  // ptrsearch01.c
  ​
  #include <stdio.h>
  #include <string.h>
  ​
  int main(void){
  ​
      char szBuffer[32] = { "I am a boy." };
  ​
      // 배열의 주소를 출력한다.
      printf("%p\n", szBuffer);
  ​
      // 대상 문자열에서 문자열을 검색하고 찾은 위치(주소)를 출력한다.
      printf("%p\n", strstr(szBuffer, "am"));
      printf("%p\n", strstr(szBuffer, "boy"));
  ​
      // 문자열이 검색된 위치에서 기준이 되는 주소를 빼면
      // 인덱스를 계산할 수 있다.
      printf("Index: %d\n", strstr(szBuffer, "am") - szBuffer);
      printf("Index: %d\n", strstr(szBuffer, "boy") - szBuffer);
      return 0;
  }
  /* 출력결과 
  0061FF10
  0061FF12
  0061FF17
  Index: 2
  Index: 7
  */

위의 코드를 szBuffer 배열의 그림으로 나타내면 아래와 같다.

11.2.5 배열 연산자 풀어쓰기

1차원 배열을 포인터 관점으로 보면, 기준주소에서 일정 인덱스만큼 떨어진 상대주소를 배열 요소의 변수로 지정하는 연산이라 할 수 있다. 즉 , *(기준주소 + 인덱스) 와 기준주소[인덱스]는 같은 의미이다.

  // ptrnarray02.c
  ​
  #include <stdio.h>
  #include <string.h>
  ​
  int main(void){
  ​
      char szBuffer[32] = { "You are a girl." };
  ​
      // 배열의 첫 번째(0번) 요소의 값을 %c 형식으로 출력한다.
      printf("%c\n", szBuffer[0]);
      // 0번 요소에 대한 주소인 배열의 이름(주소)에 대해 간접지정 연산을
      // 수행하고 그 안에 담긴 정보를 출력한다.
      printf("%c\n", *szBuffer);
      // 0을 더하더라도 주소는 달라지지 않는다.
      printf("%c\n", *(szBuffer + 0));
      
      // 배열 연산자는 '기준주소 + 인덱스' 연산결과로 얻은 주소를
      // 간접지정한 것과 같다.
      printf("%c\n", szBuffer[5]);
      printf("%c\n", *(szBuffer + 5));
  ​
      // 주소연산(&)은 간접지정 연산과 상반된다.szBuffer
      // 그러므로 아래 세줄의 코드는 모두 같다.
      printf("%s\n", &szBuffer[4]);
      printf("%s\n", &*(szBuffer + 4));
      printf("%s\n", szBuffer + 4);
      printf("%p\n", szBuffer + 4);
  ​
      return 0;
  }
  /* 출력결과
  Y
  Y
  Y
  r
  r
  are a girl.
  are a girl.
  are a girl.
  0061FF14
  */

위의 코드에서 %s는 배열의 주소에 대응하는 형식문자이다. printf() 함수는 %s와 대응된 인자를 메모리의 주소로 판단하고 그 주소에서 0이 나올 때 까지 한 글자씩 읽어와 문자열로 출력한다. 즉, %s는 배열의 이름과 대응된다.

11.2.6 realloc(), sprintf() 함수

realloc()함수는 이미 할당된 메모리를 이름처럼 재할당하는 함수이다.

• void *realloc(void *memblock, size_t size);

  • Description : 이미 할당된 메모리 영역에서 크기를 조정할 수 있다면, 반환된 주소는 첫 번째 인자로 전달된 주소와 같다. 불가능할 경우 기존의 메모리를 해제하고 새로운 영역에 다시 할당한 후, 새로 할당된 메모리의 주소를 반환한다.

  • Parameters :

    • memblock - 기존에 동적 할당된 메모리 주소. 만약 이 주소가 NULL이면 malloc()함수와 동일하게 동작

    • size - 다시 할당받을 메모리의 바이트 단위 크기

  • Return : 다시 할당된 메모리 덩어리 중 첫 번째 바이트의 메모리 주소. 실패할 경우 NULL 반환

sprintf()함수는 printf() 함수와 비슷하지만, 문자열이 콘솔에 출력되는 것이 아니라 특정 주소의 메모리에 출력된다. strcpy() 함수와 유사한 기능을 한다.

• int sprintf(char *buffer, const char *format [, argument] ...)

  • Description : 형식 문자열에 맞춰 특정 메모리에 문자열을 저장하는 함수

  • Parameters :

    • buffer - 출력 문자열이 저장될 메모리 주소

    • format - 형식 문자열이 저장된 메모리 주소

    • [, argument] - 형식 문자열에 대응하는 가변 인자들

  • Return : 출력된 문자열의 개수

strcpy(), sprintf() 함수는 보안결함이 있어, Windows 에서는 strcpy_s(), sprintf_s() 함수를 사용하는 것이 좋으며 Linux, UNIX 에서는 strncpy(), snprintf()를 사용하는 것이 좋다.

다음 예제는 12 바이트의 메모리를 동적 할당한 후 메모리에 문자열을 출력(sprintf())하고, 더 긴 문자열 출력을 위해 32바이트로 늘려(realloc()) 다른 문자열을 출력하는 코드이다.

  // ptrrealloc01.c
  ​
  #include <stdio.h>
  // _msize() 함수를 위한 헤더 포함
  #include <malloc.h>
  #include <string.h>
  ​
  int main(void){
  ​
      char *pszBuffer = NULL, *pszNewBuffer = NULL;
  ​
      // 12바이트 메모리를 동적 할당한 후
      pszBuffer = (char*)malloc(12);
      // NULL 문자를 포함해 영문 11자를 저장한다.
      sprintf(pszBuffer, "%s", "TestString");
      // 동적할 메모리의 주소, 크기, 저장된 문자열 등을 출력한다.
      printf("[%p] %d %s\n", pszBuffer, _msize(pszBuffer), pszBuffer);
  ​
      // 12바이트의 메모리를 32바이트로 '확장'을 시도한다.
      pszNewBuffer = (char*)realloc(pszBuffer, 32);
      if (pszNewBuffer == NULL)
          free(pszBuffer);
      
      // 문자열을 덮어쓰고 주소, 메모리 크기, 저장된 내용을 확인한다.
      sprintf(pszNewBuffer, "%s", "TestStringData");
      printf("[%p] %d %s\n", pszNewBuffer, _msize(pszNewBuffer), pszNewBuffer);
  ​
      free(pszNewBuffer);
      return 0;
  }
  /* 출력결과
  [02721C70] 12 TestString
  [02721C70] 32 TestStringData
  */

위의 출력결과에서 malloc()함수를 이용해 12바이트 메모리를 할당한 메모리 주소와 realloc()를 이용해 32바이트로 메모리를 확장한 메모리 주소는 0x02721C70으로 같음을 알 수 있다.