C언어의 배열과 포인터

Unused의 C언어 포인터 시리즈

포스트	URL
C언어의 포인터 (기초)	https://unused.tistory.com/221
C언어의 포인터 이해: 선언으로서의 *, 연산자로서의 *	https://unused.tistory.com/217
C언어의 배열과 포인터	https://unused.tistory.com/220
C언어의 다중 포인터	https://unused.tistory.com/215

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Credit: https://stackoverflow.com/questions/33829566/for-loop-with-pointer-in-c

위 이미지의 for문을 한번 보시지요. 평소 짜던 것과는 다르지 않으신가요? C언어에서는 배열이 곧 포인터처럼 동작하기에 가능합니다.

int arr[5] = {10, 20, 30, 40, 50};
int *p = arr;     // p는 arr의 첫 번째 요소를 가리키는 포인터

여기서 arr은 배열 전체를 의미하지만, 대부분의 문맥에서는 &arr[0] — 즉, 첫 번째 요소의 주소로 자동 변환됩니다. 따라서 p는 arr[0]을 가리키는 포인터가 되죠. 이후 p[2], *(p + 2) 등의 문법을 통해 배열의 값에 접근할 수 있습니다.

printf("%d\n", arr[2]);   // 30
printf("%d\n", *(arr + 2)); // 30
printf("%d\n", p[2]);     // 30

즉, arr은 int 5개짜리 덩어리이면서, 동시에 그 시작 위치를 나타내는 주소처럼도 쓰이는 것입니다. 우리가 scanf()에 문자열(char[])을 넘길 때만 &를 안 붙이는 이유가 바로 이것입니다.

아래가 바로 그러한 예시입니다. (func()의 인자에 &를 붙이지 않았다는 점에 주목)

#include <stdio.h>

void func(int* arr, int count) {
    for(int i=0; i<count; i++)
        arr[i] = arr[i]*3; // 3배!
}

int main() {
    int arr[5] = {1, 2, 3};
    for (int i = 0; i < 5; i++) printf("%d ", arr[i]); // 출력 결과: 1, 2, 3
    func(arr, 5);                                      // &arr이 아니라 arr을 넣음!
    for (int i = 0; i < 5; i++) printf("%d ", arr[i]); // 출력 결과: 3, 6, 9
    return 0;
}

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주의사항

배열 변수와 포인터 변수가 완전히 동일하게 동작하지는 않습니다. 아래 코드를 봐주세요.

int arr[5];
int *p = arr;

printf("%zu\n", sizeof(arr)); // 20 (int 4바이트 × 5개)
printf("%zu\n", sizeof(p));   // 8  (64비트 포인터의 크기)

출력되는 결과가 다릅니다. 사용법이 거의 비슷해도 결국 arr과 p는 별개의 자료형이기 때문입니다.

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2차원 배열과 포인터

가령 아래와 같은 5행 3열 (3x5) 배열을 가정합시다. 이는 즉 int[3]짜리 배열을 5개 쌓는 것이겠죠?

int arr[5][3] = {
    { 1,  2,  3 },
    { 4,  5,  6 },
    { 7,  8,  9 },
    {10, 11, 12 },
    {13, 14, 15 }
};

아래와 같이 선언하면, 3개 열을 담는 (= int[3]을 담는) 1개 행짜리 포인터 p가 됩니다. 이때 괄호가 중요합니다. 배열의 선언이 `int arr[10];` 같은 식이고, 배열의 포인터의 선언은 별이 중간에 들어가야 하는데, 괄호를 `int (* p) [10];`와 같이 묶어야만 정상적으로 해석됩니다.

int (*p)[3];
p = arr;
/* "3개의 int로 구성된 배열을 가리키는 포인터"를 선언, arr의 맨 앞 주소를 대입.
    즉,
    ☞ p의 타입은 "포인터"
    ☞ *p의 타입은 "int[3]"
    ☞ p[i]는 i번째 행(배열)
    ☞ p[i][j]는 그 행의 j번째 원소
*/

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다차원 배열과 다중 포인터

한편, 다차원 배열을 다중 포인터로 접근할 수는 없을까요? 먼저 단일 포인터를 이용한 정상적인 예시부터 보여드리겠습니다.

// 정상적인 예시
#include <stdio.h>

void printMatrix3D(int (*matrix)[3][4], int depth, int rows, int cols) {
    for (int k = 0; k < depth; k++) {
        printf("Depth %d:\n", k);
        for (int i = 0; i < rows; i++) {
            for (int j = 0; j < cols; j++)
                printf("%3d ", matrix[k][i][j]);
            printf("\n");
        }
        printf("\n");
    }
}

void modifyMatrix3D(int (*matrix)[3][4], int depth, int rows, int cols) {
    for (int k = 0; k < depth; k++) {
        for (int i = 0; i < rows; i++) {
            for (int j = 0; j < cols; j++)
                matrix[k][i][j] = matrix[k][i][j]*10; // 10배!
        }
    }
}

int main() {
    int myArray[2][3][4] = {{
            {1, 2, 3, 4},
            {5, 6, 7, 8},
            {9, 10, 11, 12}
        },{ {13, 14, 15, 16},
            {17, 18, 19, 20},
            {21, 22, 23, 24}
        }
    };

    printf("수정 전:\n");
    printMatrix3D(myArray, 2, 3, 4);

    printf("modifyMatrix3D로 들어갑니다...\n");
    modifyMatrix3D(myArray, 2, 3, 4);
    printf("modifyMatrix3D 완료!\n");

    printf("\n수정 후:\n");
    printMatrix3D(myArray, 2, 3, 4);

    return 0;
}

실행 결과는 아래와 같습니다.

위 코드의 modify 및 print 함수들의 인자들을, 그냥 void printMatrix3D(int (**matrix)[4], ...나 void printMatrix3D(int ***matrix, ...처럼 다중 포인터로 받으면 안될까 싶으실 수 있습니다. 결론적으로 불가능합니다. 이는 포인터 오프셋 계산(+,-)과 관련이 있습니다.

억지로 다중 포인터 써보기

// 잘못된 예시입니다!!
#include <stdio.h>

// 억지로 ***를 사용
void modifyMatrix3D(int ***matrix, int depth, int rows, int cols) {
    for (int k = 0; k < depth; k++) {
        for (int i = 0; i < rows; i++) {
            for (int j = 0; j < cols; j++)
                matrix[k][i][j] *= 10; // 10배
        }
    }
}

// 억지로 ***를 사용
void printMatrix3D(int ***matrix, int depth, int rows, int cols) {
    for (int k = 0; k < depth; k++) {
        printf("Depth %d:\n", k);
        for (int i = 0; i < rows; i++) {
            for (int j = 0; j < cols; j++)
                printf("%3d ", matrix[k][i][j]);
            printf("\n");
        }
        printf("\n");
    }
}

int main() {
    int myArray[2][3][4] = {{
            {1, 2, 3, 4},
            {5, 6, 7, 8},
            {9, 10, 11, 12}
        },{ {13, 14, 15, 16},
            {17, 18, 19, 20},
            {21, 22, 23, 24}
        }
    };

    // 억지로 int***로 캐스팅
    int ***p = (int ***) myArray;

    printf("수정 전:\n");
    printMatrix3D(p, 2, 3, 4);

    printf("modifyMatrix3D로 들어갑니다...\n");
    modifyMatrix3D(p, 2, 3, 4);
    printf("modifyMatrix3D 완료!\n");

    printf("\n수정 후:\n");
    printMatrix3D(p, 2, 3, 4);

    return 0;
}

위는 억지로 다중 포인터를 이용하는 잘못된 예시입니다.

 

예를 들어, printMatrix3D()의 삼중포인터 matrix에 대하여, matrix[k][i][j]는 *(*(*(matrix+k)+i)+j)로 해석될 수 있습니다. k=0, i=0, j=0, matrix[0][0][0]=1이라 칠 때, 이를 하나하나 풀어나가봅시다.

• 먼저 matrix+0, 즉, 1이라는 값이 나옵니다. 식은 *(*(*(1)+i)+j)로 풀립니다.
• *(1)이란, 0x00000001이라는 주소에 든 값을 가져온다는 뜻입니다(32비트 시스템 기준). 0x00000001에는 무엇이 들었을까요?
• 아무튼 *(*(*(1)+i)+j) = *(*(0x00000001에 든 쓰레기값+i)+j) 같은 식으로 됩니다.
• 이를 또 풀면 또 어떠한 쓰레기값이 나오고, 이를 포인터로 해석하여 참조하고, 또 쓰레기값이 나오고, 또 참조하고, ...

 

이런 식으로 인간이 의도한 바와는 완전히 다른 결과가 나옵니다. 때문에 int[2][3][4]같은 다차원 배열은 반드시 정확히 일치하는 포인터 타입(예: int (*)[3][4])으로 받아야만 그에 맞는 오프셋 계산이 가능합니다. 그렇지 않을 경우 위와 같이 오동작 또는 세그멘테이션 오류(segmentation fault)가 발생합니다. 

참고로, 위 잘못된 예시의 실행 결과는 아래와 같습니다 (우분투).

아래는 메모리 보호가 없는 MS-DOS에서 동일 코드를 실행한 결과입니다. 완전히 엉뚱한 값이 나옴을 알 수 있습니다.