(0과 1의 기록)

3. 메모리 구조와 변수의 생명주기

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1. 프로그램의 메모리 구조

C 언어 프로그램이 실행될 때 운영체제는 메모리 공간을 할당합니다. 이 메모리는 효율적인 관리를 위해 네 가지 영역으로 나뉩니다.

메모리의 4가지 영역

프로그램 실행 시 메모리는 다음과 같이 구분됩니다.

┌─────────────┐ ← 높은 주소
│  스택 영역   │
│   (Stack)   │
├─────────────┤
│             │
│    (여유)    │
│             │
├─────────────┤
│  힙 영역     │
│   (Heap)    │
├─────────────┤
│ 데이터 영역  │
│   (Data)    │
├─────────────┤
│  코드 영역   │
│   (Code)    │
└─────────────┘ ← 낮은 주소
왜 메모리를 구분할까?
도서관에서 책을 분야별로 나누어 관리하듯이, C 언어도 메모리를 목적별로 구분하여 효율적으로 관리합니다.

각 영역의 역할

영역 저장 대상 생명주기
코드 영역 실행할 프로그램 코드(명령어) 프로그램 시작~종료
데이터 영역 전역 변수, static 변수 프로그램 시작~종료
스택 영역 지역 변수, 매개변수 함수 시작~종료
힙 영역 동적 할당 메모리 사용자가 관리

2. 코드 영역 (Code Area)

코드 영역은 프로그램의 실행 명령어를 저장하는 공간입니다.

코드 영역의 특징

#include <stdio.h>

int main(void) {
    printf("Hello World\n");
    return 0;
}

위 코드가 실행되면:

  • 모든 실행 명령어가 코드 영역에 저장됨
  • CPU가 이 영역의 명령어를 순서대로 실행
  • 읽기 전용 메모리 (수정 불가)
💡 코드 영역의 특징
• 프로그램이 실행되는 동안 변하지 않음
• 읽기 전용으로 보호됨
• 함수의 코드도 이 영역에 저장됨

3. 데이터 영역 (Data Area)

데이터 영역은 전역 변수와 static 변수를 저장하는 공간입니다.

전역 변수

전역 변수는 함수 밖에서 선언된 변수로, 프로그램 전체에서 사용 가능합니다.

#include <stdio.h>

int globalVar = 100;  // 전역 변수 (데이터 영역에 저장)

void printGlobal(void) {
    printf("전역 변수: %d\n", globalVar);
}

int main(void) {
    printf("main에서: %d\n", globalVar);
    printGlobal();

    globalVar = 200;
    printGlobal();

    return 0;
}
실행 결과 보기 
main에서: 100
전역 변수: 100
전역 변수: 200

전역 변수는 모든 함수에서 접근 가능합니다.

static 변수

static 변수는 지역 변수이지만 데이터 영역에 저장되어 값이 유지됩니다.

#include <stdio.h>

void counter(void) {
    int normalVar = 0;      // 지역 변수 (스택 영역)
    static int staticVar = 0;  // static 변수 (데이터 영역)

    normalVar++;
    staticVar++;

    printf("일반 변수: %d, static 변수: %d\n", normalVar, staticVar);
}

int main(void) {
    counter();  // 1번 호출
    counter();  // 2번 호출
    counter();  // 3번 호출

    return 0;
}
실행 결과 보기 
일반 변수: 1, static 변수: 1
일반 변수: 1, static 변수: 2
일반 변수: 1, static 변수: 3

static 변수는 함수가 끝나도 값이 유지됩니다.

데이터 영역의 특징
• 프로그램 시작 시 메모리 할당
• 프로그램 종료 시까지 유지
• 초기화하지 않으면 자동으로 0으로 초기화

4. 스택 영역 (Stack Area)

스택 영역은 지역 변수와 함수 매개변수를 저장하는 공간입니다.

지역 변수의 생명주기

#include <stdio.h>

void myFunc(void) {
    int localVar = 10;  // 지역 변수 (스택 영역에 저장)
    printf("함수 내부: %d\n", localVar);
}  // localVar 소멸

int main(void) {
    int num = 5;  // 지역 변수 (스택 영역에 저장)

    printf("main 시작: %d\n", num);
    myFunc();
    printf("main 종료: %d\n", num);

    return 0;
}  // num 소멸
실행 결과 보기 
main 시작: 5
함수 내부: 10
main 종료: 5

스택의 동작 원리

함수가 호출될 때마다 스택에 메모리가 쌓이고, 함수가 종료되면 제거됩니다.

#include <stdio.h>

void func2(int c) {
    printf("func2: %d\n", c);
}

void func1(int b) {
    printf("func1: %d\n", b);
    func2(b + 10);
}

int main(void) {
    int a = 5;
    printf("main: %d\n", a);
    func1(a + 5);
    printf("main 다시: %d\n", a);

    return 0;
}

메모리 상태 변화:

[Step 1] main 실행
┌──────────┐
│ a = 5    │ ← main의 지역변수
└──────────┘

[Step 2] func1 호출
┌──────────┐
│ b = 10   │ ← func1의 매개변수
├──────────┤
│ a = 5    │ ← main의 지역변수
└──────────┘

[Step 3] func2 호출
┌──────────┐
│ c = 20   │ ← func2의 매개변수
├──────────┤
│ b = 10   │ ← func1의 매개변수
├──────────┤
│ a = 5    │ ← main의 지역변수
└──────────┘

[Step 4] func2 종료
┌──────────┐
│ b = 10   │ ← func1의 매개변수
├──────────┤
│ a = 5    │ ← main의 지역변수
└──────────┘

[Step 5] func1 종료
┌──────────┐
│ a = 5    │ ← main의 지역변수
└──────────┘
⚠️ 스택 영역 주의사항
• 함수 종료 시 자동으로 메모리 해제
• 지역 변수의 주소를 반환하면 위험!
• 스택 크기는 제한적 (너무 많은 재귀 호출 시 오버플로우)

5. 힙 영역 (Heap Area)

힙 영역은 프로그래머가 직접 관리하는 메모리 공간입니다.

힙 영역의 필요성

지역 변수는 함수가 끝나면 사라지므로, 다음과 같은 코드는 문제가 발생할 수 있습니다.

#include <stdio.h>

char *getString(void) {
    char str[100];  // 지역 변수
    printf("문자열 입력: ");
    scanf("%s", str);

    return str;  // ⚠️ 위험! 함수 종료 후 str은 소멸됨
}

int main(void) {
    char *result = getString();
    printf("입력한 문자열: %s\n", result);  // 예측 불가능한 결과

    return 0;
}
힙 영역의 특징
• 프로그래머가 직접 할당하고 해제
• malloc, calloc 등의 함수로 할당
• free 함수로 해제
• 함수가 끝나도 메모리 유지

힙 영역은 다음 챕터에서 자세히 다룹니다.

6. 메모리 영역 종합 예제

모든 메모리 영역을 사용하는 예제를 살펴보겠습니다.

#include <stdio.h>

int globalNum = 100;  // 전역 변수 (데이터 영역)

void printStatic(void) {
    static int count = 0;  // static 변수 (데이터 영역)
    count++;
    printf("호출 횟수: %d\n", count);
}

void localExample(int param) {  // 매개변수 (스택 영역)
    int local = 10;  // 지역 변수 (스택 영역)
    printf("지역 변수: %d, 매개변수: %d\n", local, param);
}

int main(void) {
    int mainLocal = 5;  // 지역 변수 (스택 영역)

    printf("전역 변수: %d\n", globalNum);

    printStatic();
    printStatic();

    localExample(mainLocal);

    return 0;
}
실행 결과 보기 
전역 변수: 100
호출 횟수: 1
호출 횟수: 2
지역 변수: 10, 매개변수: 5

메모리 구조:

[코드 영역]
- main 함수 코드
- printStatic 함수 코드
- localExample 함수 코드

[데이터 영역]
- globalNum = 100
- count = 2 (static)

[스택 영역] (실행 중)
- mainLocal = 5
- param = 5 (localExample 호출 시)
- local = 10 (localExample 호출 시)

[힙 영역]
- (이 예제에서는 미사용)

7. 종합 실습

문제 1 - 변수의 저장 위치 (기초)

문제 1

다음 중 데이터 영역에 저장되는 변수는?

#include <stdio.h>

int a = 10;

int main(void) {
    int b = 20;
    static int c = 30;

    return 0;
}

선택지:

  • A. a만
  • B. a와 c
  • C. b와 c
  • D. 모두
메모리 구조

문제 2 - static 변수 (기초)

문제 2

다음 코드의 실행 결과는?

메모리 구조 
#include <stdio.h>

void test(void) {
    static int num = 0;
    num += 5;
    printf("%d ", num);
}

int main(void) {
    test();
    test();
    test();

    return 0;
}

문제 3 - 지역 변수의 생명주기 (중급)

문제 3

다음 코드의 실행 결과는?

메모리 구조 
#include <stdio.h>

void func(void) {
    int x = 100;
    x++;
    printf("%d ", x);
}

int main(void) {
    func();
    func();

    return 0;
}

문제 4 - 전역 변수와 지역 변수 (중급)

문제 4

다음 코드의 실행 결과는?

메모리 구조 
#include <stdio.h>

int num = 50;

void change(void) {
    int num = 100;
    num += 10;
    printf("%d ", num);
}

int main(void) {
    change();
    printf("%d", num);

    return 0;
}

문제 5 - static과 일반 변수 비교 (고급)

문제 5

다음 코드의 마지막 출력 결과는?

메모리 구조
static 변수 b는 5번 호출되면서 매번 3씩 증가합니다. 
#include <stdio.h>

void counter(void) {
    int a = 0;
    static int b = 0;

    a += 3;
    b += 3;
}

int main(void) {
    int i;
    for (i = 0; i < 5; i++) {
        counter();
    }

    // counter 함수의 static 변수 b의 최종 값은?
    return 0;
}

핵심 요약

1. 메모리의 4가지 영역
• 코드 영역: 프로그램 실행 명령어 저장
• 데이터 영역: 전역 변수, static 변수 저장
• 스택 영역: 지역 변수, 매개변수 저장
• 힙 영역: 동적 할당 메모리 저장

2. 전역 변수 vs 지역 변수
• 전역 변수: 데이터 영역, 프로그램 전체에서 사용
• 지역 변수: 스택 영역, 함수 내에서만 사용

3. static 변수
• 데이터 영역에 저장
• 함수가 끝나도 값이 유지됨
• 초기화는 단 한 번만 수행

4. 스택 영역의 특징
• 함수 호출 시 자동 할당
• 함수 종료 시 자동 해제
• LIFO(Last In First Out) 구조

5. 메모리 관리 원칙
• 데이터/스택 영역: 자동 관리
• 힙 영역: 수동 관리 (malloc/free)
• 지역 변수 주소 반환 금지
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