c++ 포인터란?

C++ 포인터 

참조: wikipedia

포인터는 C++에서 중요한 개념으로, 메모리 관리를 효율적으로 하고 고급 프로그래밍 기법을 사용할 수 있게 도와줍니다. 하지만 그만큼 복잡하고 많은 개발자들에게 어려운 개념이기도 합니다. 이번 글에서는 포인터의 기본적인 개념부터 심화적인 사용법까지 모든 내용을 다룹니다.

목차

1. 포인터란 무엇인가?
2. 포인터와 변수의 관계
3. 포인터 선언과 초기화
4. 포인터 연산
5. 포인터와 배열
6. 함수와 포인터
7. 동적 메모리 할당과 포인터
8. 포인터와 상수
9. 이중 포인터와 다중 포인터
10. 포인터의 위험성과 유의점
11. 스마트 포인터

1. 포인터란 무엇인가?

포인터는 메모리 주소를 저장하는 변수입니다. 일반 변수는 값을 저장하지만, 포인터는 메모리의 특정 위치를 가리킵니다. 이를 통해 개발자는 변수의 직접적인 메모리 위치를 참조하거나, 동적 메모리 할당을 통해 프로그램의 유연성을 높일 수 있습니다.

포인터의 핵심은 주소입니다. 메모리에 저장된 데이터를 다루기 위해 주소를 사용할 수 있는데, 포인터는 이 역할을 합니다. 포인터를 통해 메모리의 직접적인 제어가 가능하며, 이를 이용해 다양한 자료 구조를 구현할 수 있습니다.

포인터의 기본 선언

int a = 10;
int* p = &a; // 'a'의 주소를 포인터 'p'에 저장

위 예시에서 int* p는 p가 정수를 가리키는 포인터임을 나타냅니다. &a는 a의 메모리 주소를 반환합니다. 포인터 선언 시 데이터 타입을 명시하는 이유는 포인터가 가리키는 대상의 크기와 형식을 알기 위해서입니다.

2. 포인터와 변수의 관계

포인터는 메모리 주소를 사용하여 변수의 값을 간접적으로 접근할 수 있습니다. 포인터를 사용하면 변수의 값을 바꾸지 않고도 그 위치를 참조하거나 조작할 수 있습니다. 이는 특히 함수 호출 시 인자로 전달할 때 유용하며, 데이터를 복사하지 않고도 원본에 접근할 수 있게 합니다.

간접 참조 연산자 (*)

int a = 10;
int* p = &a;

std::cout << *p; // 출력: 10

위 코드에서 *p는 포인터 p가 가리키는 주소의 실제 값을 반환합니다. 간접 참조를 통해 변수의 값을 읽거나 수정할 수 있습니다. 이를 통해 포인터를 이용한 데이터의 직접적인 조작이 가능합니다.

3. 포인터 선언과 초기화

포인터를 선언할 때는 가리키려는 데이터 타입을 명시해야 합니다. 초기화되지 않은 포인터는 댕글링 포인터(dangling pointer)로 남아있어 프로그램의 예기치 않은 동작을 초래할 수 있습니다. 이러한 댕글링 포인터는 잘못된 메모리 접근으로 인해 프로그램이 비정상적으로 종료될 위험이 있습니다.

포인터 초기화 예시

int* p = nullptr; // 안전하게 초기화

nullptr는 C++11에서 도입된 것으로, 포인터가 유효한 메모리 주소를 가리키지 않음을 명시적으로 나타냅니다. nullptr을 사용함으로써 포인터가 잘못된 메모리를 참조하는 것을 방지할 수 있습니다. 항상 포인터를 선언할 때는 초기화를 통해 안전한 상태로 유지하는 것이 좋습니다.

4. 포인터 연산

포인터는 메모리 주소를 다루므로 여러 연산이 가능합니다. 포인터 연산에는 증가/감소 연산과 차이 계산이 있습니다. 이러한 연산을 통해 포인터는 배열의 요소들을 순회하거나 특정 위치로 이동할 수 있습니다.

증가 및 감소 연산

int arr[3] = {10, 20, 30};
int* p = arr;

p++; // 다음 요소를 가리킴

포인터의 연산은 가리키는 데이터 타입의 크기를 고려합니다. 즉, 포인터를 증가시키면 다음 데이터 타입의 크기만큼 이동하게 됩니다. 이를 이용해 배열을 순회하거나 특정 데이터 구조를 탐색할 수 있습니다.

5. 포인터와 배열

배열의 이름은 포인터처럼 사용될 수 있습니다. 배열 이름 자체가 배열의 첫 번째 요소의 주소를 가리킵니다. 이를 통해 배열과 포인터는 매우 밀접한 관계를 가지며, 포인터 연산을 통해 배열 요소에 접근할 수 있습니다.

int arr[3] = {1, 2, 3};
int* p = arr;

std::cout << *(p + 1); // 출력: 2

위 코드에서 p + 1은 arr[1]을 가리키며, 이를 통해 배열 요소에 접근할 수 있습니다. 배열과 포인터의 이러한 특성은 배열을 함수에 전달할 때 매우 유용하게 사용됩니다. 배열 이름을 전달하면 포인터처럼 동작하여 메모리 복사 없이도 배열의 요소들을 직접 접근할 수 있게 됩니다.

6. 함수와 포인터

포인터는 함수에 인자로 전달할 때 유용하게 사용됩니다. 이를 통해 함수에서 원본 데이터를 수정할 수 있습니다. 포인터를 이용하면 데이터의 복사를 피하고, 직접 메모리 위치를 참조하여 작업할 수 있기 때문에 효율적입니다.

Call by Reference

void increment(int* p) {
    (*p)++;
}

int main() {
    int a = 5;
    increment(&a);
    std::cout << a; // 출력: 6
}

포인터를 통해 함수 내에서 변수의 값을 직접 변경할 수 있습니다. 이 방법은 큰 데이터를 함수에 전달할 때 유용하며, 메모리 사용량을 줄이는 데 도움을 줍니다. 특히 구조체나 클래스 객체와 같은 큰 데이터 타입을 함수에 전달할 때 포인터를 사용하면 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다.

7. 동적 메모리 할당과 포인터

C++에서는 동적 메모리 할당을 통해 런타임에 필요한 메모리를 할당할 수 있습니다. 이를 위해 new와 delete 연산자를 사용합니다. 동적 메모리 할당은 프로그램 실행 중에 메모리 요구량이 변할 수 있는 경우 유용합니다.

동적 메모리 할당

int* p = new int; // 정수형 메모리 공간 할당
*p = 10;

delete p; // 메모리 해제

동적 메모리 할당을 사용하면 프로그램의 유연성이 높아지지만, 사용 후 반드시 해제해야 메모리 누수를 방지할 수 있습니다. new로 할당한 메모리는 반드시 delete로 해제해야 하며, 그렇지 않으면 메모리 누수가 발생하여 시스템 자원을 낭비하게 됩니다. 이러한 문제를 방지하기 위해 스마트 포인터의 사용이 권장됩니다.

8. 포인터와 상수

포인터와 상수를 결합하여 사용하는 경우도 있습니다. 상수 포인터와 포인터 상수는 각각 다른 의미를 가집니다. 이러한 개념을 통해 포인터의 사용을 더욱 엄격하게 제한할 수 있습니다.

상수 포인터와 포인터 상수

• 상수 포인터 (const int* p): 포인터가 가리키는 값을 변경할 수 없습니다. 이를 통해 데이터의 수정이 불가능하도록 보장할 수 있습니다.
• 포인터 상수 (int* const p): 포인터 자체를 변경할 수 없습니다. 이는 포인터가 항상 같은 메모리 위치를 가리키도록 보장합니다.

포인터와 상수를 결합함으로써 코드의 안정성을 높일 수 있으며, 실수로 데이터를 수정하거나 포인터가 다른 메모리를 가리키는 것을 방지할 수 있습니다.

9. 이중 포인터와 다중 포인터

이중 포인터는 포인터를 가리키는 포인터입니다. 다중 포인터를 사용하면 복잡한 데이터 구조를 다룰 수 있습니다. 예를 들어, 이중 포인터는 동적으로 할당된 2차원 배열을 관리하거나 포인터 배열을 다루는 데 유용합니다.

int a = 10;
int* p = &a;
int** pp = &p;

std::cout << **pp; // 출력: 10

이중 포인터는 다차원 배열이나 복잡한 구조체에서 많이 사용됩니다. 이러한 포인터들은 데이터를 계층적으로 관리하거나, 동적으로 생성된 배열을 자유롭게 관리할 때 유용합니다. 특히, 다차원 배열의 동적 할당과 해제에서 이중 포인터의 사용은 필수적입니다.

10. 포인터의 위험성과 유의점

포인터를 잘못 사용하면 프로그램의 안정성에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 댕글링 포인터, 메모리 누수, 잘못된 메모리 접근 등이 발생할 수 있습니다. 이러한 문제들은 프로그램을 비정상적으로 종료시키거나, 예상치 못한 동작을 유발할 수 있습니다.

댕글링 포인터

해제된 메모리를 가리키는 포인터를 댕글링 포인터라고 합니다. 이는 프로그램의 비정상적인 종료를 초래할 수 있습니다. 따라서 포인터가 더 이상 유효하지 않을 때는 nullptr로 초기화하는 것이 좋습니다.

메모리 누수 방지

동적 할당된 메모리는 반드시 delete를 사용하여 해제해야 합니다. 메모리 누수는 시스템의 자원을 점점 소모하여 결국 시스템의 성능을 저하시킬 수 있습니다. 이를 방지하기 위해 포인터를 사용할 때는 항상 메모리 해제를 염두에 두어야 합니다.

11. 스마트 포인터

C++11 이후에는 스마트 포인터가 도입되어, 메모리 관리를 자동으로 해줍니다. 스마트 포인터는 표준 라이브러리의 <memory> 헤더에 정의되어 있으며, 메모리 누수를 방지하기 위해 매우 유용합니다.

주요 스마트 포인터 종류

• std::unique_ptr: 소유권이 한 객체에만 있는 포인터. 객체의 유일한 소유자를 보장하며, 복사가 불가능합니다.
• std::shared_ptr: 여러 포인터가 공유할 수 있는 포인터. 객체의 소유권을 여러 포인터가 공유할 수 있으며, 참조 횟수가 0이 되면 자동으로 메모리를 해제합니다.
• std::weak_ptr: shared_ptr의 순환 참조를 방지하기 위한 포인터. shared_ptr과 함께 사용되어 순환 참조 문제를 해결합니다.

스마트 포인터를 사용하면 수동으로 delete를 호출하지 않아도 되어 메모리 누수를 방지할 수 있습니다. 이는 특히 복잡한 객체 관계를 다루는 프로그램에서 매우 유용하며, 코드의 안전성을 높여줍니다.

#include <memory>

int main() {
    std::unique_ptr<int> p = std::make_unique<int>(10);
    std::cout << *p; // 출력: 10
}

스마트 포인터를 사용하면 예외가 발생하거나 함수가 일찍 종료되더라도 메모리가 자동으로 해제되어 안전합니다.