28. 메모리(Memory)

1. 키워드

메모리(Memory)
malloc(Memory Allocation)
동적 메모리 할당(Dynamic Memory Allocation)
스택(Stack)과 힙(Heap)
메모리 누수(Memory Leak)
memset(Memory Set)
널 포인터(NULL Pointer)

2. 메모리 사용하기

이번에는 포인터에 원하는 만큼 메모리 공간을 할당받아 사용하는 방법을 알아보자.

먼저 다음과 같이 메모리는 malloc → 사용 → free 패턴으로 사용한다.

3. 메모리 할당하기

메모리를 사용하려면 malloc 함수로 사용할 메모리 공간을 확보해야 한다.
이때 필요한 메모리 크기는 바이트 단위로 지정한다.
메모리 할당과 해제 함수는 stdlib.h 헤더 파일에 선언되어 있다.

포인터 = malloc(크기);
성공하면 메모리 주소를 반환. 실패하면 NULL을 반환

다음 내용을 입력한 뒤 실행해 보자.
만약 컴파일할 때 "error C2440: '=': 'void *'에서 'int *'(으)로 변환할 수 없습니다." 에러가 발생한다면 파일의 확장자가 .c가 맞는지 확인한다.
파일 확장자가 .cpp이면 C++ 컴파일러를 사용하므로 에러가 발생한다.

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h> // malloc, free 함수가 선언된 헤더 파일

int main()
{
    int num1 = 20; // int 타입 변수 선언
    int *numPtr1;  // int 타입 포인터 선언

    numPtr1 = &num1; // num1의 메모리 주소를 구하여 numPtr에 할당

    int *numPtr2; // int 타입 포인터 선언

    numPtr2 = malloc(sizeof(int)); // int 타입의 크기 4바이트만큼 동적 메모리 할당

    printf("%p\n", numPtr1); // 변수 num1의 메모리 주소 출력
                             // 컴퓨터마다, 실행할 때마다 달라짐

    printf("%p\n", numPtr2); // 새로 할당된 메모리의 주소 출력
                             // 컴퓨터마다, 실행할 때마다 달라짐

    free(numPtr2); // 동적으로 할당한 메모리 해제

    return 0;
}

// 0x006bfa60
// 0x009659f0

메모리를 할당할 때는 malloc 함수를 사용하며 할당할 메모리 공간의 크기를 넣어준다.
여기서는 sizeof 연산자를 사용하여 int타입의 크기(4바이트)만큼 메모리를 할당했다.
특히 원하는 시점에 원하는 만큼 메모리를 할당할 수 있다고 하여 동적 메모리 할당이라 부른다.

numPtr2 = malloc(sizeof(int)); // int의 크기 4바이트만큼 동적 메모리 할당

printf 함수로 numPtr1과 numPtr2의 값을 출력해 보면 메모리 주소가 출력된다.

printf("%p\n", numPtr1); // 변수 num1의 메모리 주소 출력
                         // 컴퓨터마다, 실행할 때마다 달라짐

printf("%p\n", numPtr2); // 새로 할당된 메모리의 주소 출력
                         // 컴퓨터마다, 실행할 때마다 달라짐

여기서 numPtr1에는 일반 변수의 메모리 주소를 할당했고, numPtr2에는 malloc 함수로 메모리를 할당했다.
같은 메모리 주소라도 내부적으로는 약간의 차이가 있다.
스택과 힙 두 가지인데 변수는 스택에 생성되며 malloc 함수는 힙 부분의 메모리를 사용한다.
이때 스택, 힙의 위치와 커지는 방향은 OS 및 플랫폼에 따라 달라질 수 있다.

스택과 힙의 큰 차이점은 메모리 해제에 있다.
스택에 생성된 변수는 사용한 뒤 따로 처리를 해주지 않아도 되지만, malloc 함수를 사용하여 힙에서 할당한 메모리는 반드시 해제를 해줘야 한다.
따라서 다음과 같이 free 함수로 메모리를 해제한다.

free(포인터);

free(numPtr2); // 동적으로 할당한 메모리 해제

메모리 해제는 선택이 아닌 필수이다.
메모리를 할당만 하고 해제를 해주지 않으면 결국에는 시스템의 메모리가 부족해지므로 OS가 프로그램을 강제로 종료시키거나 메모리 할당에 실패하게 된다.
특히 메모리를 해제하지 않아 메모리 사용량이 계속 증가하는 현상을 메모리 누수라고 부른다.

4. 메모리에 값 저장하기

이번에는 할당한 메모리에 값을 저장해 보자.

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h> // malloc, free 함수가 선언된 헤더 파일

int main()
{
    int *numPtr; // int 타입 포인터 선언

    numPtr = malloc(sizeof(int)); // int 타입의 크기 4바이트만큼 동적 메모리 할당

    *numPtr = 10; // 포인터를 역참조한 뒤 값 할당

    printf("%d\n", *numPtr); // 포인터를 역참조하여 메모리에 저장된 값 출력

    free(numPtr); // 동적 메모리 해제

    return 0;
}

// 10

malloc 함수로 할당한 메모리에 값을 저장할 때는 *numPtr = 10;처럼 포인터를 역참조한 뒤 값을 저장하면 된다.
마찬가지로 printf 함수로 값을 출력할 때도 포인터를 역참조하여 값을 가져오면 된다.
메모리를 할당하고 사용한 뒤에는 반드시 free 함수로 해제를 해준다.

malloc 함수에 sizeof(int) * 1024 * 1024 * 1024를 넣으면 어떻게 될까?

다음과 같이 작성해 보자.

numPtr2 = malloc(sizeof(int) * 1024 * 1024 * 1024);

문제없이 할당이 된다.
계산을 해보면 4,294,967,296인데 GiB로는 4GiB이다.
더 큰 메모리도 할당할 수 있지만 실제로 값을 저장할 때는 시스템의 한계 이상 저장할 수 없다.

5. 메모리 내용을 한꺼번에 설정하기

포인터를 역참조한 뒤 값을 할당할 때는 해당 자료형 크기만큼만 할당할 수 있다.
string.h 헤더 파일에 선언되어 있는 memset 함수를 사용하면 메모리의 내용을 원하는 크기만큼 특정값으로 설정할 수 있다.
이때 설정하는 크기는 바이트 단위이다.

memset(포인터, 설정할값, 크기);
값 설정이 끝난 포인터를 반환

다음 내용을 입력한 뒤 실행해 보자.

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h> // malloc, free 함수가 선언된 헤더 파일
#include <string.h> // memset 함수가 선언된 헤더 파일

int main()
{
    long long *numPtr = malloc(sizeof(long long)); // long long 타입의 크기 8바이트만큼 동적 메모리 할당

    memset(numPtr, 0x27, 8); // numPtr이 가리키는 메모리를 8바이트만큼 0x27로 설정

    printf("0x%llx\n", *numPtr); // 27이 8개 들어가 있음

    free(numPtr); // 동적으로 할당한 메모리 해제

    return 0;
}

// 0x2727272727272727

먼저 memset 함수를 사용하려면 string.h 또는 memory.h 헤더 파일을 포함해야 한다.
그리고 memset 함수에 포인터, 설정할 값, 설정할 크기를 넣으면 된다.
여기서는 memset(numPtr, 0x27, 8);과 같이 사용했으므로 numPtr이 가리키는 메모리에는 16진수 27이 8개 들어가게 된다.

memset 함수는 주로 다음과 같이 설정할 값을 0으로 지정하여 메모리의 내용을 모두 0으로 만들 때 주로 사용한다.

memset(numPtr, 0, 8); // numPtr이 가리키는 메모리를 8바이트만큼 0으로 설정

자료형의 크기와 포인터의 크기

memset 함수에 설정할 크기를 지정할 때 보통 숫자 대신 sizeof를 사용한다.

long long *numPtr = malloc(sizeof(long long));

memset(numPtr, 0, sizeof(long long)); // numPtr이 가리키는 메모리를 long long 타입의 크기만큼 0으로 설정

여기서 메모리를 sizeof(long long) 크기만큼 할당했으므로 설정할 크기도 sizeof(long long)과 같이 지정해야 하며 sizeof(long long *)과 같이 포인터의 크기를 지정하면 안 된다.
포인터의 크기는 메모리 주소의 크기일 뿐 실제 메모리가 차지하는 크기가 아니다.
이 부분은 char 타입 포인터에 메모리를 할당해 보면 잘 알 수 있다.

char *cPtr = malloc(sizeof(char)); // char 타입의 크기 1바이트만큼 동적 메모리 할당

memset(cPtr, 0, sizeof(char));   // char 타입의 크기 1바이트만큼 0으로 설정(올바른 방법)
memset(cPtr, 0, sizeof(char *)); // 32비트: char 타입 포인터의 크기 4바이트만큼 0으로 설정(잘못된 방법)
                                 // 64비트: char 타입 포인터의 크기 8바이트만큼 0으로 설정(잘못된 방법)

free(cPtr);

memset(numPtr, 0, sizeof(char));는 메모리를 1바이트만큼 0으로 설정하니 문제가 없다.
하지만 memset(numPtr, 0, sizeof(char *));는 32비트에서 4바이트, 64비트에서 8바이트만큼 0으로 설정하므로 할당받은 메모리 크기를 넘어서게 된다.

다른 예로 32비트에서 sizeof(long long)은 8바이트인데 sizeof(long long *)는 4바이트이므로 할당받은 메모리보다 작은 공간을 설정하게 된다.
64비트에서 sizeof(long long *)는 8바이트로 그냥 크기가 일치한 것일 뿐 잘못된 방법이다.

long long *numPtr = malloc(sizeof(long long)); // long long 타입의 크기 8바이트만큼 동적 메모리 할당

memset(numPtr, 0, sizeof(long long));   // long long 타입의 크기 8바이트만큼 0으로 설정(올바른 방법)
memset(numPtr, 0, sizeof(long long *)); // 32비트: long long 타입 포인터의 크기 4바이트만큼 0으로 설정(잘못된 방법)
                                        // 64비트: long long 타입 포인터의 크기 8바이트만큼 0으로 설정(잘못된 방법)

free(numPtr);

memset 함수에서 sizeof를 사용할 때는 이러한 부분을 주의해야 한다.

6. 널 포인터 사용하기

메모리가 할당된 포인터도 있지만, 메모리가 할당되지 않은 포인터도 있다.

#include <stdio.h>

int main()
{
    int *numPtr1 = NULL; // 포인터에 NULL 저장

    printf("%p\n", numPtr1);

    return 0;
}

// 0x0

NULL이 들어있는 포인터를 널 포인터라고 하며 아무것도 가리키지 않은 상태를 뜻한다.
따라서 역참조는 할 수 없다.

실무에서는 다음과 같이 포인터가 NULL인지 확인한 뒤 NULL이면 메모리를 할당하는 패턴을 주로 사용한다.

if (ptr == NULL) // ptr이 널 포인터라면
{
    ptr = malloc(1024); // 1024바이트만큼 메모리 할당
}

28. 메모리(Memory)

1. 키워드

2. 메모리 사용하기

3. 메모리 할당하기

4. 메모리에 값 저장하기

5. 메모리 내용을 한꺼번에 설정하기

6. 널 포인터 사용하기

References