들어가기 전에 힙과 스택부터 알기

힙(Heap)과 스택(Stack)은 프로그램 실행 중에 메모리를 관리하는 두 가지 주요 영역이다. 이 두 영역은 메모리 할당과 해제, 사용 방식에서 차이가 있다.

스택 메모리

특징

  • 고정 크기: 스택 메모리는 일반적으로 프로그램이 시작될 때 고정된 크기로 할당된다.
  • 빠른 할당 및 해제: 메모리 할당과 해제는 매우 빠르게 이루어진다. 함수 호출 시 스택 프레임이 생성되고 함수가 종료되면 자동으로 해제된다.
  • LIFO 구조: 스택은 Last In, First Out(LIFO) 구조를 따른다. 가장 최근에 할당된 메모리가 가장 먼저 해제된다.

용도

  • 지역 변수: 함수 내에서 선언된 변수는 스택에 저장된다.
  • 함수 호출 정보: 함수 호출 시 전달된 인수, 복귀 주소, 그리고 함수 실행을 위한 로컬 변수가 스택에 저장된다.

예제

#include <stdio.h>

void foo() {
    int localVar = 10; // 지역 변수는 스택에 저장됨
    printf("지역 변수: %d\n", localVar);
}

int main() {
    foo(); // 함수 호출 시 스택 프레임 생성
    return 0; // 함수 종료 시 스택 프레임 해제
}

이 예제에서 localVar는 함수 foo의 스택에 저장된다. foo가 호출될 때 스택 프레임이 생성되고, foo가 종료될 때 스택 프레임이 해제된다.

힙 메모리

특징

  • 동적 크기: 힙 메모리는 런타임 시 동적으로 할당되며, 필요에 따라 크기를 조정할 수 있다.
  • 느린 할당 및 해제: 힙 메모리의 할당과 해제는 스택에 비해 느리다. 할당된 메모리는 명시적으로 해제해야 한다.
  • 비구조적: 힙 메모리는 비구조적이며, 임의의 순서로 할당 및 해제될 수 있다.

용도

  • 동적 메모리 할당: 런타임 시 크기가 결정되는 데이터 구조(예: 배열, 링크드 리스트 등)는 힙에 저장된다.
  • 크기가 큰 데이터: 큰 데이터는 스택에 저장하기 어렵기 때문에 힙에 저장된다.

예제

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
    int *arr;
    int n = 5;

    // 힙에 정수형 배열 동적 할당
    arr = (int *)malloc(n * sizeof(int));

    if (arr == NULL) {
        printf("메모리 할당 실패\n");
        return 1;
    }

    // 배열 초기화 및 출력
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        arr[i] = i + 1;
        printf("%d ", arr[i]);
    }
    printf("\n");

    // 힙 메모리 해제
    free(arr);

    return 0;
}

이 예제에서 malloc 함수를 사용하여 힙에 정수형 배열을 동적 할당하고, free 함수를 사용하여 할당된 메모리를 해제한다.

비교

특징 스택(Stack) 힙(Heap)
메모리 할당 자동 수동 (malloc, free)
할당 속도 빠름 느림
메모리 크기 고정 크기 동적 크기
메모리 구조 LIFO 비구조적
사용 용도 지역 변수, 함수 호출 정보 동적 데이터 구조, 큰 데이터

요약

  • 스택은 함수 호출 시 자동으로 할당되고 해제되는 고정 크기 메모리 영역이다. 주로 지역 변수와 함수 호출 정보를 저장한다.
  • 힙은 런타임 시 동적으로 할당되고 명시적으로 해제되는 메모리 영역이다. 주로 동적 데이터 구조와 큰 데이터를 저장한다.

동적 메모리 관리 (Dynamic Memory Management)

개요

동적 메모리를 사용하면 런타임 시에 필요한 만큼의 메모리를 할당하고, 더 이상 필요하지 않을 때 메모리를 해제할 수 있다.

1. malloc 함수

malloc 함수는 요청한 크기만큼의 메모리를 힙(heap)에서 할당한다. 성공적으로 메모리를 할당하면 메모리 블록의 시작 주소를 반환하고, 실패하면 NULL을 반환한다.

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
    int *arr;
    int n = 5;

    // n개의 정수형 공간을 동적 할당
    arr = (int *)malloc(n * sizeof(int));

    if (arr == NULL) {
        printf("메모리 할당 실패\n");
        return 1;
    }

    // 메모리 할당 성공, 배열 초기화
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        arr[i] = i + 1;
    }

    // 배열 요소 출력
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        printf("%d ", arr[i]);
    }
    printf("\n");

    // 동적 할당된 메모리 해제
    free(arr);

    return 0;
}

2. calloc 함수

calloc 함수는 malloc 함수와 유사하지만, 할당된 메모리를 0으로 초기화한다. calloc 함수는 두 개의 인수를 받는다: 할당할 요소의 개수와 각 요소의 크기.

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
    int *arr;
    int n = 5;

    // n개의 정수형 공간을 동적 할당 및 초기화
    arr = (int *)calloc(n, sizeof(int));

    if (arr == NULL) {
        printf("메모리 할당 실패\n");
        return 1;
    }

    // 배열 요소 출력
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        printf("%d ", arr[i]);
    }
    printf("\n");

    // 동적 할당된 메모리 해제
    free(arr);

    return 0;
}

3. realloc 함수

realloc 함수는 이미 할당된 메모리 블록의 크기를 변경한다. 새로운 크기가 기존 크기보다 크면 추가 메모리는 초기화되지 않은 상태로 남아 있다.

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
    int *arr;
    int n = 5;

    // n개의 정수형 공간을 동적 할당
    arr = (int *)malloc(n * sizeof(int));

    if (arr == NULL) {
        printf("메모리 할당 실패\n");
        return 1;
    }

    // 배열 초기화
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        arr[i] = i + 1;
    }

    // 배열 크기를 두 배로 재할당
    arr = (int *)realloc(arr, 2 * n * sizeof(int));

    if (arr == NULL) {
        printf("메모리 재할당 실패\n");
        return 1;
    }

    // 추가된 공간 초기화
    for (int i = n; i < 2 * n; i++) {
        arr[i] = i + 1;
    }

    // 배열 요소 출력
    for (int i = 0; i < 2 * n; i++) {
        printf("%d ", arr[i]);
    }
    printf("\n");

    // 동적 할당된 메모리 해제
    free(arr);

    return 0;
}

4. free 함수

free 함수는 동적 할당된 메모리를 해제한다. 할당된 메모리를 더 이상 사용하지 않을 때는 반드시 free 함수를 호출하여 메모리 누수를 방지해야 한다.

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
    int *arr;
    int n = 5;

    // n개의 정수형 공간을 동적 할당
    arr = (int *)malloc(n * sizeof(int));

    if (arr == NULL) {
        printf("메모리 할당 실패\n");
        return 1;
    }

    // 배열 초기화 및 출력
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        arr[i] = i + 1;
        printf("%d ", arr[i]);
    }
    printf("\n");

    // 동적 할당된 메모리 해제
    free(arr);

    return 0;
}

주의사항

  • 메모리 할당 실패를 항상 확인해야 한다.
  • 동적 할당된 메모리는 사용 후 반드시 free 함수로 해제해야 한다.
  • 이미 해제된 메모리에 접근하는 것은 위험하며, 프로그램 오류를 일으킬 수 있다.

함수 포인터 (Function Pointers)

개요

함수 포인터는 함수의 주소를 저장하는 포인터로, 런타임에 함수를 동적으로 호출할 수 있는 유연성을 제공한다. 함수 포인터를 사용하면 함수 테이블을 만들거나, 콜백 함수를 구현할 수 있다.

1. 함수 포인터 선언과 사용

함수 포인터는 함수의 시그니처를 따라 선언한다. 예를 들어, 두 개의 int 인수를 받아 int를 반환하는 함수 포인터는 다음과 같이 선언할 수 있다.

#include <stdio.h>

// 두 정수의 합을 구하는 함수
int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

int main() {
    // 함수 포인터 선언 및 초기화
    int (*operation)(int, int) = add;

    // 함수 포인터를 사용하여 함수 호출
    printf("10 + 5 = %d\n", operation(10, 5));

    return 0;
}

2. 콜백 함수

콜백 함수는 다른 함수의 인수로 전달되는 함수로, 이벤트 기반 프로그래밍에서 자주 사용된다.

#include <stdio.h>

// 두 정수의 합을 구하는 함수
int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

// 두 정수의 곱을 구하는 함수
int multiply(int a, int b) {
    return a * b;
}

// 두 정수에 대해 연산을 수행하는 함수
void compute(int (*operation)(int, int), int x, int y) {
    printf("결과: %d\n", operation(x, y));
}

int main() {
    // 합을 구하는 콜백 함수 호출
    compute(add, 10, 5);

    // 곱을 구하는 콜백 함수 호출
    compute(multiply, 10, 5);

    return 0;
}

3. 함수 테이블

함수 테이블은 함수 포인터 배열을 사용하여 여러 함수를 저장하고, 런타임에 동적으로 호출할 수 있는 구조를 제공한다.

#include <stdio.h>

// 두 정수의 합을 구하는 함수
int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

// 두 정수의 차를 구하는 함수
int subtract(int a, int b) {
    return a - b;
}

// 두 정수의 곱을 구하는 함수
int multiply(int a, int b) {
    return a * b;
}

int main() {
    // 함수 포인터 배열 선언 및 초기화
    int (*operations[3])(int, int) = {add, subtract, multiply};

    int x = 10, y = 5;

    // 함수 포인터 배열을 사용하여 함수 호출
    printf("10 + 5 = %d\n", operations[0](x, y));
    printf("10 - 5 = %d\n", operations[1](x, y));
    printf("10 * 5 = %d\n", operations[2](x, y));

    return 0;
}

주의사항

  • 함수 포인터를 사용할 때 시그니처가 일치하는지 확인해야 한다.
  • 함수 포인터 배열을 사용할 때는 인덱스 범위를 벗어나지 않도록 주의해야 한다.
  • 잘못된 함수 포인터 사용은 프로그램 오류를 일으킬 수 있다.