c언어 코딩도장 Unit 51 ~ Unit 53

Unit 51 구조체 멤버 정렬 사용하기

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-구조체 멤버 정렬-

cpu가 메모리에 접근할 때 32bit는 4바이트 단위, 64bit는 8바이트 단위로 접근한다. 만약 32bit에서 cpu가 4바이트보다 작은 데이터에 접근한다면 실질적으로 더 작은 바이트만 사용하는 것이지만 사용은 4바이트만큼 해 비효율적이다. 따라서 c언어 컴파일러는 cpu가 메모리의 데이터에 효율적으로 접근할 수 있도록 구조체를 일정한 크기로 정렬을 한다고 한다.

 

무조건 정렬이 좋은 것은 아니다. 사진 같은 파일을 저장한다 가정할 때, 이런식으로 정렬이 일어난다면 사진이 깨져버릴 수 있다. 이런 경우 정렬을 사용하면 안된다.

 

#include <stdio.h>

typedef struct stru {
    char x; // 1byte    
    int y; // 4byte
} A; // 도합 5byte

int main()
{
    A a; // 구조체 변수 선언

    printf("%d\n", sizeof(a.x)); // x의 크기 확인
    printf("%d\n", sizeof(a.y)); // y의 크기 확인
    printf("%d\n", sizeof(a)); // 구조체 변수로 전체 크기 확인
    printf("%d\n", sizeof(struct stru)); // 구조체 이름으로 전체 크기 확인

    return 0;
}

위는 구조체를 만든 후 그 구조체 변수들의 크기와, 전체 크기를 출력해주는 코드다. 1byte(char) + 4byte(int)해서 도합 5byte가 나올 것 같지만 결과는 다르다.

실행 결과

첫 줄, 두번째 줄은 예상하던 값인 1, 4가 나왔지만 3, 4번째 줄은 다르다. 

원래대로라면 5byte가 나오는 것이 맞지만, 앞서 정리한 c언어 컴파일러가 효율적으로 데이터에 접근할 수 있도록 정렬을 해줬기 때문에 8이 나오게 된 것이다.

 

c언어에서 구조체를 정렬할 때는 멤버 변수 중에서 가장 큰 자료형 크기의 배수로 정렬한다.

위 코드에서 가장 큰 자료형은 int이므로 int의 배수인 8이 된 것이다.

c언어 코딩도장 Unit 51.5

위는 c언어 코딩도장에 나왔있는 정렬의 예시 사진이다.

원래는 맨 위 사진처럼 1byte, 4byte로 선언됐지만 컴파일 과정을 거치면서 1byte에 패딩을 추가해서 4byte로 만들어 버려, 최종적으로 전체 크기를 8byte로 만드는 것이다.

 

-offsetof

offsetof는 stddef.h에 정의된 메크로로 구조체에서 멤버의 offset을 구해주는 역할을 한다.

사용은 offsetof(<struct 구조체>, <멤버>) 또는 별칭을 써서 offsetof(<구조체>, <멤버>)로 하면 된다.

 

#include <stdio.h>
#include <stddef.h>

typedef struct stru {
    char x; // 1byte    
    int y; // 4byte
} A; // 도합 5byte

int main()
{
    A a; // 구조체 변수 선언

    printf("%d\n", offsetof(A, x)); // offset 출력
    printf("%d\n", offsetof(A, y)); // offset 출력

    return 0;
}

offsetof에 typedef로 만든 별칭을 넣어서 x, y 멤버를 각각 출력해봤다.

실행 결과

실행해보면 y의 offset이 1이 아닌 4가 나오는 것을 볼 수 있다. 왜냐하면 x 다음에 3byte 크기의 null padding 영역이 존재하기 때문에 y의 영역은 4부터 시작하는 것이다.

 

-#pragma pack

이 구조체 정렬을 안하는 방법은 간단하다.

#pragma pack(push, <정렬 크기>)

#pragma pack(pop)

을 사용하면된다.

 

push의 경우는 정렬 크기만큼 데이터를 정렬하게 해준다.

pop은 push와 <정렬 크기>를 사용하면 아래에 오는 모든 구조체에 영향을 주기 때문에 정렬 설정을 한 뒤, 설정을 이전 상태로 되돌려주는 역할을 한다. 

 

#include <stdio.h>
#include <stddef.h>

#pragma pack(push, 1) // 1byte 크기로 정렬
typedef struct stru {
    char x; // 1byte    
    int y; // 4byte
} A; // 도합 5byte
#pragma pack(pop) // 설정 되돌림

int main()
{
    A a; // 구조체 변수 선언

    printf("%d\n", offsetof(A, x));
    printf("%d\n", offsetof(A, y));

    return 0;
}

위는 pack으로 1byte 크기만큼 구조체를 임의로 정렬한 모습이다. 1byte 크기로 정렬하도록 했으니 padding 없이 5byte 크기 그대로 메모리에 올라갈 것이다.

실행 결과

위 사진처럼 y 멤버의 offset 위치가 4가 아닌 1로 된 것을 볼 수 있다.

 

Unit 51 구조체와 메모리 활용하기

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-구조체와 메모리 활용-

 

-memset

구조체의 멤버를 모두 0으로 만들려면 일일이 각 멤버를 지정해서 0을 넣어줘야했다.

struct <구조체이름> <변수이름> = { 0, };    // 구조체 변수의 내용을 모두 0으로 초기화

위 방법을 사용하면 가능하긴 하지만 malloc으로 동적으로 할당된 메모리에는 사용할 수가 없었다.

 

하지만 memset 함수를 사용한다면 구조체 변수나 메모리의 내용을 한꺼번에 값을 설정할 수 있다. 이 memset 함수는 string.h에 선언돼 있다.

사용은 memset(<구조체 포인터>, <설정 값>, sizeof(<구조체>));로 하면 된다.

 

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>

typedef struct stru
{
    int a;
    int b;
} A;
// 구조체 선언 및 별칭 설정

int main()
{
    A *a = malloc(sizeof(A)); // 구조체 메모리 동적 할당
    memset(a, 0, sizeof(A)); // memset 함수로 구조체 변수 멤버들의 값을 0으로 변경

    printf("%d %d", a->a, a->b); // 구조체 변수 멤버들 출력
 
    free(a);
}

위는 구조체 포인터를 선언해 메모리를 동적 할당한 후 memset 함수로 멤버들의 값을 0으로 설정한 코드다.

실행 결과

결과를 보면 멤버들이 0으로 설정됐음을 알 수 있다.

 

-memcpy

memcpy는 구조체를 다른 곳에 복사해주는 역할을 해준다. 이 역시 string.h에 선언돼 있다.

사용은 memcpy(<목적지 포인터>, <원본 포인터>, <크기>);로 해주면 된다.

 

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>

typedef struct stru
{
    int a;
    int b;
} A; // 구조체 선언

int main()
{
    A a;
    A b;
    // 구조체 변수 선언
    
    a.a = 1;
    a.b = 2;
    // 구조체 변수 a의 맴버들에 값 설정
    
    memcpy(&b, &a, sizeof(A)); // 구조체 맴버 a를 구조체 맴버 b로 복사

    printf("%d %d", b.a, b.b); // b의 멤버들 출력
}

위는 memcpy를 이용해 a 구조체를 b에 복사하는 코드다.

실행 결과

결과를 보면 a의 멤버들에 저장했던 값이 구조체 변수 b의 멤버들에 복사됐음을 알 수 있다.

 

Unit 53 구조체 배열 사용하기

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-구조체 배열-

구조체 배열은 struct <구조체 명> <변수 명>[<크기>]로 선언할 수 있다.

 

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include <stdio.h>
#include <string.h>

typedef struct stru
{
    int x;
    int y;
} A; // 구조체 선언 및 별칭 설정

int main()
{
    A a[2]; // 2 크기의 구조체 배열 선언
    a[0].x = 1;
    a[0].y = 2;
    a[1].x = 3;
    a[1].y = 4;
    // 구조체 멤버들에 값 저장

    printf("%d %d\n", a[0].x, a[0].y);
    printf("%d %d", a[1].x, a[1].y);
    // 구조체 멤버들 출력
}

위 코드처럼 구조체 배열을 선언하고 멤버에 접근할 수 있다. 접근 시 [<인덱스>]. 을 사용해주면 된다.

실행 결과

결과를 보면 각 인덱스의 구조체 변수 멤버들이 잘 출력되는 것을 볼 수 있다.

 

A a[2] = { {.x = 1, .y = 2 }, {.x = 3, .y = 4}}; 
A b[2] = {0, } // 모든 멤버들을 0으로 초기화

위처럼 구조체 배열을 선언하는 동시에 초기화할 수도 있다.

 

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include <stdio.h>
#include <string.h>

typedef struct stru
{
    int x;
    int y;
} A; // 구조체 선언 및 별칭 설정

int main()
{
    A *a[2]; // 구조체 배열 포인터 선언
    for (int i = 0; i < sizeof(a) / sizeof(A *); i++) // 요소 개수만큼 반복
    {
        a[i] = malloc(sizeof(A));
    } // 메모리 동적 할당
    
    a[0]->x = 1;
    a[0]->y = 2;
    a[1]->x = 3;
    a[1]->y = 4;
    // 각 인덱스에 해당하는 변수의 멤버에 값 저장

    printf("%d %d\n", a[0]->x, a[0]->y);
    printf("%d %d", a[1]->x, a[1]->y);
    // 출력
    
    for (int i = 0; i < sizeof(a) / sizeof(A *); i++) // 요소 개수만큼 반복
    {
        free(a[i]);
    }
    // 메모리 해제
}

배열 포인터 선언 및 메모리 할당하는 방법과 똑같다. 구조체 배열 포인터 선언 및 메모리 할당하는 방법도 비슷하게 for문으로 메모리를 할당하고 for문으로 메모리를 해제해주면 된다. 단 멤버 접근은 .이 아닌 ->로 해줘야한다.

동적할당의 원리는 이미 배열 포인터 부분에서 다뤘으므로 넘어가겠다.

실행 결과

멤버들이 잘 출력되는 것을 볼 수 있다.

 

Unit 51 ~ Unit 53 문제

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Unit 51.3 퀴즈

구조체의 크기는 sizeof(<별칭 혹은 struct 구조체 명>)를 통해 구할 수 있다.

답 : b, d, e(괄호 없이도 가능했다..)

 

Unit 51.3 퀴즈

위에서 정리하진 않았지만 gcc 4.0 미만에서 구조체를 1바이트로 정렬하려면 __attribute__((aligned(<정렬 크기>, packed))를 써주면 된다.

답 : e

 

Unit 51.3 퀴즈

구조체를 정렬할 때 기준이 되는 자료형은 크기가 가장 큰 자료형이다.

답 : d

 

Unit 51.3 퀴즈

구조체 정렬 크기를 조절하는 방법은

#pragma pack(push, <크기>)

#pragma pack(pop)

으로 해주면 된다.

 

답 : e

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Unit 51.4 연습문제

8이 출력되는 것이 목적인데, 주어진 구조체의 크기는 5byte다. 하지만 c언어 컴파일러에 의해 가장 큰 자료형을 기준으로 정렬이 되므로 padding이 들어가 총 크기가 8byte이 될 것이다. 따라서 빈칸에 sizeof(header);를 넣어주면 될 것 같다.

#include <stdio.h>

struct CompressHeader 
{
    char flags;
    int version;
};

int main()
{
    struct CompressHeader header;

    printf("%d\n", sizeof(header)); // 구조체 변수의 크기를 구해서 출력

    return 0;
}

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Unit 51.5 연습문제

구조체의 자료형을 건들여서 6이 출력되도록 만드는 것이 목적이다. 1byte 크기로 정렬되므로 멤버들의 자료형 크기가 도합 6이 되도록하면 될 것 같다.

#include <stdio.h>

#pragma pack(push, 1)
struct Packet {
    short length; // 2byte 크기의 자료형인 short 사용
    int seq;
};
#pragma pack(pop)

int main()
{
    struct Packet pkt;

    printf("%d\n", sizeof(pkt));

    return 0;
}

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Unit 51.6 심사문제

구조체의 크기가 12가 되도록 만드는 것이 목적이다. 따로 정해진 정렬 크기가 없으므로 가장 큰 자료형을 기준으로 정렬된다는 점을 고려해야한다.

#include <stdio.h>

struct EncryptionHeader {
    char flags;
    int a; // 4byte
    int b; // 4byte
}; // 정렬에 의해 총 크기 12byte
 
int main()
{
    struct EncryptionHeader header;
 
    printf("%d\n", sizeof(header));

    return 0;
}

int 변수를 두 번 써줘서 8byte를 확보했고, 이 int를 기준으로 정렬되기 때문에 char형 변수 역시 크기가 4byte가 되서 총 12byte가 된다.

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Unit 51.7 심사문제

이번에는 구조체를 직접 선언해서 구조체의 크기가 3이 되도록 하는 것이 목적이다.

이번에는 앞서 배운 정렬 크기를 조정해서 3으로 만들어 보겠다.

#include <stdio.h>

#pragma pack(push, 1) // 정렬 크기를 1로 설정
struct Packet
{
    char x; // 1byte
    short y; // 2byte
}; // 정렬 크기가 1이므로 도합 3byte
#pragma pack(pop)

int main()
{
    struct Packet pkt;

    printf("%d\n", sizeof(pkt));

    return 0;
}

정렬 크기를 1로 설정하고 char, short형 변수를 각각 선언해서 도합 3byte가 되도록 작성했다.

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Unit 52.3 퀴즈

구조체 변수의 멤버들을 모두 0으로 초기화하는 방법은 memset(<포인터>, 0, <크기>);로 해주면 된다.

답 : b

 

Unit 52.3 퀴즈

구조체를 복사하는 방법은 memcpy(<목적지 포인터>, <원본 포인터>, <크기>)로 해주면 된다. 위의 경우는 p1은 포인터이므로 <원본 포인터> 위치에 그대로 써주고, p2는 포인터가 아니므로 &을 붙여서 <목적지 포인터> 위치에 써주면 된다. <크기>에는 Point2D의 크기를 sizeof로 구해서 작성하면 된다. memcpy(&p2, p1, sizeof(struct Point2D));

 

답 : a

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Unit 52.4 연습문제

memset 함수를 이용해서 구조체 변수 p, *ptr의 멤버들을 0으로 초기화 시키는 것이 목적이다. 1번 칸에는 memset을 사용하기 위해 string.h를 include하고 2, 3에는 <포인터>, <초기화할 값>, <크기>를 써주면 된다.

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#include <string.h> // memset 함수를 사용하기 위해 string.h include

struct Point2D {
    int x;
    int y;
};

int main()
{
    struct Point2D p; 
    struct Point2D *ptr = malloc(sizeof(struct Point2D));

    memset(&p, 0, sizeof(struct Point2D)); // p의 멤버들을 0으로 초기화
    memset(ptr, 0, sizeof(struct Point2D)); // ptr의 멤버들을 0으로 초기화

    printf("%d %d %d %d\n", p.x, p.y, ptr->x, ptr->y);

    free(ptr);

    return 0;
}

---

Unit 52.5 연습문제

p1의 멤버들을 p2로 복사하는 것이 목적인 문제다. 주어진 칸인 memcpy의 인자들을 각각 <목적지 포인터> <원본 포인터> <크기>로 채워주면 될 것 같다.

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

struct Point2D {
    int x;
    int y;
};

int main()
{
    struct Point2D p1;
    struct Point2D *p2 = malloc(sizeof(struct Point2D));

    p1.x = 10;
    p1.y = 20;

    memcpy(p2, &p1, sizeof(struct Point2D)); // p1의 멤버들의 값을 p2로 복사

    printf("%d %d\n", p2->x, p2->y);

    free(p2);

    return 0;
}

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Unit 52.6 심사문제

memset안의 인수를 채워서 아무것도 출력하지 않는 것이 목적이다. p1의 모든 멤버들을 NULL로 채워주면 될 것 같다.

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include <stdio.h>
#include <string.h>

struct Person {
    char name[20];
    int age;
    char address[100];
};

int main()
{
    struct Person p1;

    strcpy(p1.name, "홍길동");
    p1.age = 30;
    strcpy(p1.address, "서울시 용산구 한남동");

    memset(&p1, NULL, sizeof(struct Person)); // p1의 모든 멤버에 NULL을 저장

    printf("이름: %s\n", p1.name);
    printf("나이: %d\n", p1.age);
    printf("주소: %s\n", p1.address);

    return 0;
}

memset 함수에 적절한 인수를 넣어서 p1의 모든 멤버들에 NULL이 들어가도록 작성했다.

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Unit 52.7 심사문제

memcpy의 인수를 채워서 p1 멤버들의 값을 p2로 복사하는 것이 목적이다.

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

struct Person {
    char name[20];
    int age;
    char address[100];
};

int main()
{
    struct Person *p1 = malloc(sizeof(struct Person));
    struct Person p2;

    strcpy(p1->name, "고길동");
    p1->age = 40;
    strcpy(p1->address, "서울시 서초구 반포동");

    memcpy(&p2, p1, sizeof(struct Person)); // memcpy 함수로 p1 멤버들의 값을 p2로 복사

    printf("이름: %s\n", p2.name);
    printf("나이: %d\n", p2.age);
    printf("주소: %s\n", p2.address);

    free(p1);    

    return 0;

}

&p2(p2는 일반 구조체 변수이므로), p1(포인터이므로), sizeof(struct Person)을 memcpy안에 넣어줘서 풀었다.

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Unit 53.3 퀴즈

구조체 배열은 <struct 구조체 명 or 구조체 별칭> <변수 명>[<크기>]로 만들 수 있다.

답 : b

 

Unit 53.3 퀴즈

구조체 포인터 배열을 선언하는 방법은 <struct 구조체 명 or 별칭> *<변수 명>[<크기>]로 만들 수 있다.

답 : b

 

Unit 53.3 퀴즈

구조체 배열에서 멤버에 접근하는 방법은 <변수 명>[<인덱스>].<멤버 명>으로 접근하면 된다.

답 : d(c의 경우 인덱스 범위를 벗어났다.)

 

Unit 53.3 퀴즈

구조체 포인터 배열에서 멤버에 접근하는 방법은 구조체 배열과 비슷하지만 . 대신 ->를 써줘야한다.

답 : f(b는 인덱스 범위를 벗어났다.)

---

구조체 배열을 선언, 구조체 배열의 멤버들을 출력하는 것이 목적이다. 출력은 for문으로 해주면 편할 것 같다.

#include <stdio.h>

struct Point2D {
    int x;
    int y;
};

int main()
{
    struct Point2D p[3]; // 구조체 배열 선언

    p[0].x = 10;
    p[0].y = 20;
    p[1].x = 30;
    p[1].y = 40;
    p[2].x = 50;
    p[2].y = 60;

    for (int i = 0; i < 3; i++) // 3번 반복
    {
        printf("%d %d\n", p[i].x, p[i].y); // 해당 인덱스의 멤버 출력 후 개행
    }

    return 0;
}

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Unit 53.5 연습문제

3000 크기의 구조체 배열을 선언한 후 모두 0으로 초기화 시키는 것이 목적이다. free 함수가 존재하는 것을 봐서 포인터 배열로 만든 후 malloc을 통해 동적 할당을 해줘야할 것 같다. 또한 for문을 돌며 메모리를 할당함과 동시에 memset으로 해당 인덱스의 멤버들을 0으로 초기화 해주면 될 것 같다.

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

struct Person {
    char name[20];
    int age;
    char address[100];
};

int main()
{
    struct Person *p[3000]; // 3000 크기의 구조체 포인터 배열 선언

    for (int i = 0; i < 3000; i++) // 3000번 반복
    {
        p[i] = malloc(sizeof(struct Person)); 
        memset(p[i], 0, sizeof(struct Person));
    }  // 메모리 동적할당 및 해당 인덱스의 멤버들을 memset으로 0 초기화

    printf("%d\n", p[2000]->age);

    for (int i = 0; i < sizeof(p) / sizeof(struct Person *); i++)
    {
        free(p[i]);
    }

    return 0;
}

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Unit 53.6 심사문제

입력된 4개의 좌표를 구조체 배열에 저장하고 첫 번째 좌표부터 마지막 좌표까지의 길이를 구해 출력하는 것이 목적이다. 입력 부분은 구현돼 있으니 두 점 사이의 거리를 구하기에서 배운 피타고라스 공식을 이용해 for문으로 반복하며 길이를 누적해주면 될 것 같다.

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include <stdio.h>
#include <math.h>

struct Point2D {
    int x;
    int y;
};

int main()
{
    struct Point2D p[4];
    double length = 0.0f;

    scanf("%d %d %d %d %d %d %d %d",
        &p[0].x, &p[0].y, &p[1].x, &p[1].y, &p[2].x, &p[2].y, &p[3].x, &p[3].y
    );

    for (int i = 0; i < sizeof(p) / sizeof(struct Point2D *); i++) // 배열 크기만큼 반복
    {
        if (i == 3) // 3일 경우 반복 종료
            break;
        int a = pow((p[i + 1].x - p[i].x),2);
        int b = pow((p[i + 1].y - p[i].y),2);
        length += sqrt(a + b); // 길이를 구해서 length에 누적
        // 두 점 사이의 길이 구하기(피타고라스 공식)
    }

    printf("%f\n", length);

    return 0;
}

배열 크기만큼 반복하며 i번째 인덱스의 x, y와 i+1번째 인덱스의 x, y의 차의 제곱의 제곱근을 구해서 length에 누적시켜줬다. 만약 i가 3일 경우에는 더 이상 구할 길이가 없으므로 반복을 종료한다.

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Unit 53.7 심사문제

이름, 나이가 5번 입력되는데 입력된 사람중 나이가 가장 많은 사람의 이름을 출력되게 만드는 것이 목적이다. 일단 포인터 배열로 선언됐기 때문에 동적 할당 후 scanf로 입력을 받으면 될 것 같다.

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

struct Person {
    char name[30];
    int age;
};

int main()
{
    struct Person *p[5];

    for (int i = 0; i < sizeof(p) / sizeof(struct Person *); i++) // 배열 크기만큼 반복
    {
        p[i] = malloc(sizeof(struct Person)); // 메모리 동적 할당
        scanf("%s %d", &p[i]->name, &p[i]->age); // 입력
    }

    int maxIndex = 0; // 가장 나이가 많은 사람의 인덱스
    for (int i = 0; i < sizeof(p) / sizeof(struct Person *); i++) // 배열 크기만큼 반복
    {
        if (p[maxIndex]->age < p[i]->age)
            maxIndex = i;
        // maxIndex와 i 인덱스의 age 값을 비교하고 i 인덱스의 age가 더 크다면 maxIndex를 i로 변경
    }

    printf("%s", p[maxIndex]->name); // maxIndex 인덱스의 name 출력

    for (int i = 0; i < sizeof(p) / sizeof(struct Person *); i++)
    {
        free(p[i]);
    }

    return 0;
}

for문으로 배열 크기만큼 반복하며 메모리 동적할당을 함과 동시에 scanf로 입력을 받았다. 그 후 for문을 한 번 더 돌려서 maxIndex와 i 인덱스의 age 값을 비교해 i 인덱스가 더 크다면 maxIndex를 i로 변경하는 식으로 나이가 가장 많은 사람을 구한 후 반복이 끝난 후 maxIndex 인덱스의 name을 출력해줬다.