포인터 & 배열 + 포인터 연산

크래프톤 정글에서 포인터 공부했던 내용을 정리하는 글입니다.

 

배열

배열(영어: array, 配列·排列, 문화어: 배렬)은 번호(인덱스)와 번호에 대응하는 데이터들로 이루어진 자료 구조를 나타낸다.

 

포인터

포인터(pointer)는 다른 변수, 혹은 그 변수의 메모리 공간주소를 가리키는 변수를 말한다. 포인터가 가리키는 값을 가져오는 것을 역참조라고 한다. 그 포인터가 가르키는 공간의 값을 가져오는 것을 역참조라고한다.
32 바이트 환경에서 C언어의 포인터는 4 바이트이며, 64 바이트 환경에서는 8 바이트이다.

C 언어의 32 bit 환경에서 포인터

포인터 표기

포인터의 선언

int* p; // int형 데이터를 가르키는 포인터 선언: 초기화하지 않음

 

포인터의 역참조

int a = *p; // p의 위치에 있는 값을 a로 복사

 

주소 연산: &

int s = 123;
int* b = &s; //s의 주소를 b포인터로 할당하여 저장

 

이중 포인터

int number = 1004; // int형 자료
int*p = &number; // int형 자료를 가르키는 포인터형 자료
int** pp = &p; // 포인터 p를 가르키는 이중 포인터: 포인터형을 가르키는 포인터형 자료

 

포인터 연산

포인터는 연산자를 지원한다.

뺄셈도 같은 방식으로 지원한다.

• 포인터 변수의 자료형의 크기만큼 가상메모리의 주소를 이동하여 접근한다.
• 포인터에서 +, - 연산으로 포인터를 이동시켜 가르키는 곳의 메모리를 읽거나 참조할 경우, 이 메모리 주소의 데이터가 유효해야만 하니 항상 주의해야 한다!

 

상수 포인터

가리키고 있는 값이 상수이므로, 가리키는 주소를 더이상 바꾸지 못한다.

/* 상수 포인터? */
#include <stdio.h>
int main() {
  int a;
  int b;
  int* const pa = &a; //pa가 가르키는 것은 int형의 a변수의 주소이고 변할 수 없음.

  *pa = 3;  // 올바른 문장: pa변수에 저장된 주소의 값을 3으로 초기화
  pa = &b;  // 올바르지 않은 문장: pa는 const로 선언하였으므로 더이상 바뀔 수 없다.

  return 0;
}

 

배열과 포인터

다음과 같이 배열과 포인터를 출력해보면 (포인터처럼)배열은 첫번째 요소의 주소를 출력하는 것을 확인할 수 있다(아래 메서드의 출력 값은 둘 다 동일하다).

#include <stdio.h>
int main() {
  int arr[3] = {1, 2, 3};

  printf("arr 의 정체 : %p \n", arr);
  printf("arr[0] 의 주소값 : %p \n", &arr[0]);

  return 0;
}

하지만 둘의 크기를 비교해 보면 차이가 드러나는데,

#include <stdio.h>
int main() {
  int arr[6] = {1, 2, 3, 4, 5, 6};
  int* parr = arr;

  printf("Sizeof(arr) : %d \n", sizeof(arr));
  printf("Sizeof(parr) : %d \n", sizeof(parr));
}

이 메서드의 결과 값은 각각 24, 8(32bit 시스템의 경우 4) 인 것을 확인할 수 있다.
배열이 포인터와 같은 주소값을 출력하는 이유는 , sizeof나 &와 사용될 때를 빼면 배열 이름 사용시 암묵적으로 첫번째 원소를 가리키는 포인터로 타입 변환되기 때문이다. 그렇다면 다음과 같이 배열의 요소를 접근하기 위한 [] 연산자는 어떤식으로 작동하는 걸까?

/* [] 연산자 */
#include <stdio.h>
int main() {
  int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};

  printf("a[3] : %d \n", arr[3]);
  printf("*(a+3) : %d \n", *(arr + 3));
  return 0;
}

arr[3] 이라 사용한 것은 사실 *(arr + 3) 으로 바뀌어서 처리가 된다. arr 은 + 연산자와 사용되기 때문에(포인터 자료형은 연산이 가능하므로) 첫 번째 원소를 가리키는 포인터 로 변환 되어서 arr + 3 이 포인터 덧셈을 수행하게 된다. 따라서 다음과 같은 사용도 가능하다.

/* 신기한 [] 사용 */
#include <stdio.h>
int main() {
  int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};

  printf("3[arr] : %d \n", 3 [arr]);
  printf("*(3+a) : %d \n", *(arr + 3));
  return 0;
}

3[arr]는 arr 포인터에서 3만큼 떨어진 위치의 값을 의미한다(arr[i] = *(arr + i) 이므로, 3[arr] = *(3 + arr) 이다). 둘은 같은 결과를 가르킨다: 4

 

2 차원 배열의 포인터

실제로는 이런식으로 저장된다. 출처: https://wonit.tistory.com/527

int (*parr)[3];

• parr은 포인터
• (*parr)는 parr가 가리키는 것을 의미한다.
• (*parr)[3]은 parr가 가르키는 것이 3개의 int를 가진 배열임을 의미한다.
• 이는 이차원 배열을 함수로 전달하려 할 때 사용될 수 있다.

 

#include <stdio.h>
int main() {
  int arr[2][3] = {{1, 2, 3}, {4, 5, 6}};
  int **parr;

  parr = arr;

  printf("parr[1][1] : %d \n", parr[1][1]);  // 버그!

  return 0;
}

parr[1][1] = *((parr + 1 ) + 1)과 동일하다. parr은 int**를 가르키는 포인터이고, int*의 크기는 8바이트이므로, 실제 주소값은 8이 증가한다. 다음 그림들을 보면 쉽게 이해할 수 있다.

그림으로 보니 이해가 잘 된다.

 

추가: void pointer

void*
Generics programming은 다양한 자료형을 하나의 메서드로 조작할 수 있게 해주는 프로그래밍이다. C에는 이러한 기능이 없는데, 비슷한 기능으로, void pointer를 사용해 구현할 수 있다: Generics programming은 다른 기회에 자세하게 알아보도록하자.
하지만 void 포인터를 사용하기 위해서는 받은 자료의 포인터를 사용할 자료형에 맞추어 형변환을 해 주어야 하며(즉, 타입 안정성을 보장하지 않는다.) , void 포인터는 포인터 연산을 할 수 없다는 점에서 한계는 명확하다.
 

Generics programming

C++
template 프로그래밍을 통해 지원한다. Compile시간에 타입을 결정하며, 런타임 오버헤드가 없다. 하지만 코드가 복잡하고, 컴파일 오류 메세지를 이해하기 어렵다.

Java
Generics를 지원하며, 컴파일 타임에 타입 안정성을 보장한다. 타입 소거(type erasure) 방식을 사용하므로, 런타임에는 제네릭 타입 정보가 없다: 제한 사항이 있음.

Python
동적 타이핑 언어로, 모든 변수가 기본적으로 모든 타입의 객체를 가리킬 수 있다. 따라서 아무것도 안해도 자연스럽게 generics 프로그래밍을 가능하게 한다........하하하.... Python3.5이상에서는 선택적 타입 힌트를 제공하여 타입을 명시할 수 있따.

 

생각해보자

void** ptr = 0x00000000FFFF8392; // 예시로 든 값 입니다.
char* name = (char*) *ptr;
printf("%s", name);
void** ptr2 = 0x00000000FFFF3821; // 마찬가지
int64_t* number = (int64_t*) *ptr2;
printf("%llx", *number);

→ *ptr과  *ptr2는 모두 void*형(void 포인터)로, 보이드 포인터를 가르키는 이중 포인터를 역참조하고 있다. 따라서 이를 각각 char 와 int를 가르키는 포인터로 형변환하여 자료를 저장하였다: printf를 적절하게 사용하기 위함.
 

연습 문제

이걸 이해할 정도면 충분합니다

32 비트 OS: 포인터와 char, int의 크기는 4 바이트.

1. a는 int형 데이터를 가르키는 이중 포인터로,  이 변수의 주소는 0X1986abed에 위치하고 있다.
2. int  i = 0X1986abed이므로, a의 주소값을 가르키는 16진수 숫자를 가르킨다.
3. char* b = 0X0000191a 이므로, char 형 데이터를 가르키는 포인터로 주소값으로 정의되어 있다.

**a =
오른쪽 그림을 통해 a가 가르키는 값은 16임을 확인할 수 있다(이 포인터가 위치한 주소가0X1986abed 이므로, 여기에 위치한 포인터가 가르키는 걸 2번 확인하면 16이 써있는 것을 확인할 수 있다).
a ++ =
여기에서 a에 1을 더하게 되면, 4 바이트(int* 크기는 4바이트 이므로) 4가 증가된 주소값을 가르키며, 이 주소가 가르키는 주소가 무엇을 가르키거나 무슨 데이터가 있는지 모르므로 여기에서 그 값을 알 수는 없다(주소만을 가르킴).
**(int **) i =
int 의 이중 포인터로 형변환된 i의 주소에 있는 값을 확인하고자 하고 있으므로, 16.
printf("%s", b);
b의 값을 string으로 출력하고자 하므로  b에 위치한 글자(4 바이트)들이 /n을 만날때까지 출력할 것이다.
++(++b);
b 에서부터 4 바이트씩 2 번 이동하므로 d에 위치한 주소를 가르키도록 조작한 것이다.
printf("%d", b);
여기에 있는 주소를 10진수 형태로 출력할 것이다.
printf("%s", b);
b가 가르키는 문자열을 출력하므로, d 위치부터 시작하여 4바이트 단위로 ASCII 문자를 출력한다. \n이 나올때까지 문자열 출력을 진행한다.
 

포인터를 사용하고 메모리를 동적으로 할당하는 C에서의 문제점과 이를 보완하기 위한 C++와 Java의 대책들: 외부 문서

→ https://www.programmersought.com/article/4905216600/
 
피드백은 언제든 감사합니다!
 

출처

https://wonit.tistory.com/527
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