동적 메모리 할당: malloc(), void*, calloc(), realloc(), free(), memset()

본 글은 제 개인적인 공부를 위해 작성한 글입니다. 틀린 내용이 있다면 언제든지 피드백을 주시면 감사하겠습니다. 참고로만 활용해주시길 바랍니다.

동적 메모리 할당/해제/설정 함수들

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데이터 영역과 스택 영역에 할당되는 메모리의 크기는 컴파일 타임(Compile Time)에 미리 결정된다.

하지만 힙 영역의 크기는 프로그램이 실행되는 도중인 런타임(Run Time)에 사용자가 직접 결정하게 된다.

이렇게 런타임에 메모리를 할당 받는 것을 메모리 동적 할당 (Dynamic Allocation)이라고 한다.

• 프로그램이 실행하는 순간 프로그램이 사용할 메모리 크기를 고려해 메모리의 할당이 이루어지는 정적 메모리 할당과 대조적이다.

동적으로 할당된 메모리 공간은 프로그래머가 명시적으로 해제하거나 가비지 컬렉션(Garbage Collection)이 일어나기 전까지 그대로 유지된다.

C/C++와 같이 가비지 컬렉션이 없는 언어의 경우, 동적 할당하면 사용자가 해제하기 전까지는 메모리 공간이 계속 유지된다.

동적 할당은 힙 세그먼트에 할당하므로 프로세스가 종료되면 운영 체제에 메모리 리소스를 반납되므로 해제된다.

그러나 프로세스가 계속 실행될 때에는 동작 할당된 영역은 유지되므로 사용이 완료된 영역은 반납해야 한다.

C 함수들

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1. malloc(): Memory Allocate

프로그램이 실행 중일 때 사용자가 직접 힙 영역에 메모리를 할당한다.

// malloc() 함수의 원형
#include <stdlib.h>
void *malloc(size_t size);

// malloc() 함수의 사용
int *arr = (int *)malloc(sizeof(int) * 5); // 5 크기의 int 배열. 총 20바이트 할당

1. 기능

   메모리 동적 할당

2. 매개변수

   할당 받고자 하는 메모리의 크기 (바이트 단위)

   (size_t 타입은 부호 없는 정수)

3. 반환 값

   성공 시 → 할당한 메모리의 첫 번째 바이트를 가리키는 주소 값을 반환

   실패 시 → NULL을 반환

2. void * (void 포인터)

malloc은 단순히 메모리만 할당하는 함수이기 때문에 개발자가 어떠한 데이터 형을 저장하는지 알 수 없다.

따라서 void *를 반환하여 개발자가 알맞은 용도로 변환하여 사용할 수 있도록 만든 것이다.

가령, int형 데이터를 저장하기 위해서는 반환되는 void *를 int *로 변환해야 한다.

// 반환되는 void*를 int*로 변환
int *i = (int*)malloc(sizeof(int));

3. free()

힙 영역에 할당받은 메모리 공간을 다시 운영체제로 반환해 주는 함수

사용이 끝난 메모리를 해제해 주지 않으면, 메모리가 부족해지는 현상인 메모리 누수(Memory Leak)가 발생할 수 있다.

주소 ptr은 무조건 할당 받은 상태여야 하고, 할당된 블록의 시작을 가리켜야 한다.

• 그렇지 않다면 free는 아무 동작도 하지 않는다. 더 나쁜 점은 free는 반환 값이 없기에 에러를 찾기 어렵다.

free() 함수를 통해 해제한 공간의 값은 그대로 남아있고, state가 allocated에서 freed로 바뀌는 것일 뿐이다.

// free() 함수의 원형
#include <stdlib.h>
void free(void *ptr);

// free() 함수의 사용
int *arr = (int *)malloc(5 * sizeof(int));
free(arr);

1. 기능

   메모리 할당 해제

2. 매개변수

   할당 해제하고자 하는 메모리의 시작 주소를 가리키는 포인터

4. calloc(): Clear Allocate

malloc() 함수와 마찬가지로 힙 영역에 메모리를 동적으로 할당해주는 함수이다.

elt_size 크기의 변수를 elt_count개 만큼 저장할 수 있는 메모리 공간을 할당하라는 의미를 갖는다.

// calloc() 함수의 원형
#include <stdlib.h>
void* calloc(size_t elt_count, size_t elt_size)

// calloc() 함수의 사용
int *arr = (int *)calloc(5, sizeof(int));

1. 기능

   메모리 동적 할당 및 값을 0으로 초기화

2. 매개변수

   1. elt_count

      메모리의 개수

   2. elt_size

      메모리의 크기

3. 반환 값

   성공 시 → 할당한 메모리의 첫 번째 바이트를 가리키는 주소 값을 반환

   실패 시 → NULL을 반환

malloc() vs calloc()
malloc()은 할당된 공간의 값을 바꾸지 않는다.
calloc()은 할당된 공간의 값을 모두 0으로 바꾼다.
배열을 할당하고 모두 0으로 초기화 할 필요가 있을 경우에 calloc()을 쓰면 편하다.
아래 예제는 malloc()과 calloc()의 동작이 동일하다.

ptr_arr = (int*) malloc(arr_len * sizeof(int));
ptr_arr = (int*) calloc(arr_len, sizeof(int));

5. realloc(): Re Allocate

이미 할당된 메모리 블록의 크기를 바꾸어 재할당 할 때 사용한다.

만약 기존의 메모리 위치에 충분한 공간이 있다면 바로 이어서 추가 메모리 공간을 할당한다.

아니라면 메모리의 다른 공간에 기존의 데이터를 복사한 후, 이어서 추가 메모리 공간을 할당하게 된다.

// realloc() 함수의 원형
#include <stdlib.h>
void *realloc(void *ptr, size_t size);

1. 기능

   이미 할당된 메모리 블록의 크기를 변경

2. 매개변수

   1. *ptr

      바꾸고자 하는 메모리 공간을 가리키는 포인터

      (NULL이 전달되면 malloc()과 같은 동작을 수행)

   2. size

      해당 메모리 공간에 재할당 할 크기

6. memset(): Memory Setting

메모리의 값을 원하는 크기만큼 특정 값으로 설정하는 함수이다.

1 바이트 단위로 설정하기 때문에 0이 아니거나 char 타입이 아닌 값을 넣으면 제대로 된 값이 나오지 않는다!

// memset() 함수의 원형
#include <string.h>
void* memset(void* _Dst, int _Val, size_t _Size);

// memset() 함수의 사용
int arr[5];
memset(arr, 0, sizeof(int) * 5);

1. 기능

   메모리의 값을 원하는 크기만큼 특정 값으로 설정

2. 매개변수

   1. _Dst

      변경하고자 하는 메모리의 시작 주소를 가리키는 포인터

   2. _Val

      설정하고 하는 값

   3. _Size

      길이

      보통 길이 * sizeof(데이터타입)의 형태로 작성

3. 반환 값

   성공 시 → 첫 번째 인자로 들어간 _Dst 반환

   실패 시 → NULL 반환

참고

• [C] malloc, calloc, realloc을 이용한 메모리 동적 할당

• [Malloc-lab] malloc, calloc, realloc, free, brk, sbrk, mmap 기본 개념 정리

• [C언어/C++] 메모리 초기화 memset 함수 사용법 & 예제

• 동적 메모리 할당

• CS:APP