우선 프로그래밍에서 메모리 주소와 값을 다루는 핵심 개념인 참조와 역참조에 대해 간략히 용어를 정리하고 시작하자.
참조 (Reference)
- 정의: 변수가 가진 값이 아니라, 변수의 메모리 주소를 가리키거나 얻는 것이다.
- 설명: C언어 등에서는 주소 연산자(
&)를 사용해 특정 변수의 위치(주소)를 찾아낸다.- 예시:
int* p = &a;는 변수a의 주소를p에 저장하여a를 참조하는 것이다.역참조 (Dereference)
- 정의: 메모리 주소를 통해 그 주소에 들어있는 실제 값에 접근하는 것이다.
- 설명: 간접 참조 연산자(
*)를 사용해 주소를 타고 들어가 저장된 값을 읽거나 수정한다.- 예시:
*p = 10;은p가 가리키는 주소로 찾아가 그곳의 값을 10으로 바꾸는 역참조 과정이다.
포인터를 설명하기 전에 용어 정리를 하는데 예시에서부터 벌써 * / & 표현이 나와서 당황스럽긴 하지만, 참조는 변수의 메모리 주소를 저장하는 것이고 역참조는 그 주소에 들어있는 실제 값에 접근하는 것이다.
*)와 Ampersand(&)나온 김에 해당 기호들에 대해서도 설명하자면, C언어에서 Asterisk(*)는 역참조를 하겠다는 것이고 Ampersand(&)는 참조하겠다는 것을 의미한다.
그러니까 *는 변수에 저장된 주소가 가리키는 곳의 값을 조작하고 싶을 때, &는 대상의 주소를 알고 싶을 때 사용한다.
포인터 변수란 주소값을 담기 위한 변수를 말한다.
int *num = NULL;
포인터 변수는 이처럼 자료형에 *를 붙여 선언한다. 해당 코드는 정수 데이터가 저장된 주소를 저장하기 위한 변수 num을 선언하면서 NULL로 초기화한 것이다.
이해하기 어렵다면 나눠서 생각해보자. 설명의 편의를 위해 64비트 운영체제 x86-64를 기준으로 설명하겠다.
num에는 주소가 저장된다. 메모리는 바이트마다 주소가 매겨져 있고, x86-64에서 그 주소는 8바이트(64비트) 값이다. num은 그런 주소값 하나를 저장하는 8바이트 크기의 변수이다.num이 저장하고 있는 주소의 데이터를 int형으로 사용하겠다는 의미이다.C언어에서 포인터를 사용하면 가장 자주 보게 되는 형태이다.
int a = 10;
int *num = &a;
선언문의 *는 ‘이 변수는 포인터다’라는 타입 표기이고, 식에서의 *는 역참조 연산자다. int *num = &a;는 선언(int *num)에 초기값(&a)을 준 것이지 *num에 &a를 대입한 것이 아니다.
그렇다면 왜 int* num이나 int * num처럼 쓰지 않고 굳이 변수명에 *를 붙이는 이유가 뭘까?
사실 C 컴파일러는 * 앞뒤의 공백을 무시하므로 int* num, int * num, int *num 세 가지는 완전히 같은 선언이다. 그럼에도 C 문법에서 *가 타입 이름이 아닌 선언되는 이름 쪽에 붙는 것이 관례이다. 그 이유는 한 줄에 여러 변수를 선언할 때 드러난다.
int* a, b; // a, b 둘 다 포인터처럼 보이지만 a는 int *, b는 int
int *a, *b; // a, b 둘 다 포인터 - *가 이름에 붙는다는 걸 표기가 드러낸다
문법적으로도 ‘역참조(*)하면 해당 자료형이다’라는 의미이기 때문에 이름에 붙는 것이 자연스럽다.
함수도 마찬가지다. node *find()는 find()를 호출하고 반환값을 역참조한 것이 node라는 의미로, *가 find에 붙는 것이 문법적으로 정확한 그림이다.
C++에서는 타입 중심으로 읽는 것이 C++ 철학에 맞아 반대로 타입 쪽에 붙이는 것을 선호한다. ‘한 줄에 하나만 선언하면 함정이 없다’는 입장이라고 한다. 둘 다 유효하니 한 코드베이스 안에서 하나로 통일하는 것이 실질적 규칙이다.
이제 포인터에 대해서는 대충 알겠는데 그냥 값을 저장해서 쓰면 되지 이 짓을 왜 하나 싶을 수 있다. 주소를 필요로 하는 경우가 뭐가 있을까?
첫째, 동적 할당을 하는 경우가 있다. 포인터도 모르겠는데 동적 할당은 뭔가 싶겠지만, 메모리를 고정된 만큼만 사용하지 않고 유동적으로 사용한다고 생각해보자. 예를 들어 필요한 메모리 크기를 실행 중에야 알 수 있는 경우(입력 개수만큼의 배열, 노드가 계속 추가되는 리스트) 컴파일 시 크기가 정해지는 일반 변수로는 담을 수 없다. 이렇게 크기가 유동적인 경우 힙 영역에 메모리를 동적으로 할당하고 할당된 메모리의 주소값으로 관리하기 때문에 포인터 변수가 필요하다.
다음으로 call by reference를 위해서도 필요하다. C언어는 call by reference가 없고 매개변수로 값을 전달하기 때문에, call by reference처럼 동작하게 하려면 주소를 넘겨 주소의 데이터를 덮어 써야 한다.
또 함수 포인터처럼 포인터가 담고 있는 주소를 바꿔가며 실행 시 어떤 함수를 호출할지 바꿀 수 있다.
결국 포인터에 담기는 것이 주소값이라면 그냥 정수로 저장하면 안 되나?
된다. 크기만 맞으면 unsigned long long 같은 일반 정수형에도 담을 수는 있지만, uintptr_t는 플랫폼의 포인터 크기를 따르도록 표준이 보장하는 타입이라(32비트에서는 4바이트, 64비트에서는 8바이트) 이식성과 의도 표현을 위해 이쪽을 쓴다. int는 4바이트라 8바이트 주소가 잘리므로 불가하다.
uintptr_t num = (uintptr_t)&a;
이와 같은 선언도 가능하다.
그럼 왜 굳이 포인터 타입이 있는가. 포인터 타입을 사용하지 않으면 해당 주소에 어떤 데이터가 저장됐는지 알 수 없어서, 주소값을 저장하는 것은 가능하지만 참조할 때는 uintptr_t num에 대해 *num을 하게 되면 컴파일 오류가 난다.
그래서 매번 타입 캐스팅(해당 변수가 어떤 자료형이다를 지정하는 것)을 해줘야 하기 때문에 코드가 길어지고, 캐스팅을 다른 타입으로 잘못 쓰더라도 컴파일러가 잡아주지 않아 에러 또는 조용한 에러가 발생할 수 있다. 코드를 읽는 사람도 무엇의 주소인지 매번 추적해야 하므로 비효율적이다.
이상으로 포인터 변수에 대해 알아봤다.
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