왜 메모리 모델을 먼저 알아야 하는가

C 언어는 다른 언어보다 메모리를 직접 다루는 정도가 훨씬 크다. 자바(Java)나 파이썬(Python)은 변수가 실제로 메모리 어디에 저장되는지 몰라도 프로그램을 짤 수 있지만, C는 포인터(pointer)·배열(array)·동적 메모리 할당(dynamic memory allocation) 같은 핵심 문법 자체가 “메모리 주소가 어떻게 배치되는가”라는 그림 없이는 이해가 되지 않는다. 독학사 2단계 C프로그래밍 시험에서 포인터·배열·함수 호출·동적 할당 문제가 어렵게 느껴지는 가장 큰 이유도, 코드 한 줄이 메모리의 어느 위치를 건드리는지 머릿속에 그림이 그려지지 않기 때문이다.

이번 편은 12편(포인터), 17편(동적 메모리), 10편(함수)에서 각각 깊게 다룰 내용의 지도(map) 역할만 한다. 실제 문법과 연산은 해당 편에서 배우고, 여기서는 “메모리가 이렇게 나뉘어 있고, 변수마다 사는 동네가 다르다”는 큰 그림만 확실히 잡고 넘어간다.

쉽게 말하면: 메모리 모델은 프로그램이 실행되는 동안 쓰는 메모리를 용도별로 나눈 아파트 단지 배치도다. 어떤 변수가 어느 동(棟)에 사는지 알아야 나중에 포인터로 그 집 주소를 찾아갈 수 있다.

프로세스가 실행될 때 메모리는 네 구역으로 나뉜다

C 프로그램을 컴파일하고 실행하면 운영체제는 그 실행 중인 프로그램(이를 프로세스, process라 부른다)에게 메모리 공간을 할당한다. 이 공간은 관례적으로 다음 네 영역으로 나뉜다.

이 네 영역이 실제 주소 공간에서 어떻게 배치되는지를 그림으로 보면 다음과 같다(대부분의 시스템에서 관례적으로 이렇게 그린다).

이 그림에서 시험에 자주 나오는 포인트 두 가지를 짚는다.

1. 스택은 위(높은 주소)에서 아래(낮은 주소) 방향으로 자란다. 함수를 호출할 때마다 스택 영역이 낮은 주소 쪽으로 늘어난다.
2. 힙은 아래(낮은 주소)에서 위(높은 주소) 방향으로 자란다. malloc으로 메모리를 요청할 때마다 힙이 높은 주소 쪽으로 늘어난다.

두 영역이 서로 반대 방향으로 자라며 가운데 빈 공간을 향해 다가가는 구조이기 때문에, 스택과 힙 중 어느 하나가 지나치게 커지면 둘이 충돌한다. 지역 변수를 지나치게 많이 쓰거나 재귀 호출이 끝나지 않으면 스택 오버플로(stack overflow)가 발생하는데, 이는 스택이 자라다가 힙이나 다른 영역을 침범하는 상황을 말한다.

변수는 저장되는 위치에 따라 성격이 완전히 달라진다

같은 “변수”라도 어디에 선언했는지에 따라 저장되는 영역이 다르고, 그에 따라 생존 기간(lifetime)과 접근 범위(scope)가 달라진다. 아래 표로 정리한다.

#include <stdio.h>
 
int global_count = 0;          /* 전역 변수 — 데이터 영역 */
 
void increase(void) {
    static int call_count = 0; /* 정적 변수 — 데이터 영역, 함수가 끝나도 값 유지 */
    int local_x = 10;          /* 지역 변수 — 스택, 함수가 끝나면 사라짐 */
 
    call_count++;
    global_count += local_x;
    printf("call_count=%d, global_count=%d\n", call_count, global_count);
}
 
int main(void) {
    increase();
    increase();
    increase();
    return 0;
}

call_count=1, global_count=10
call_count=2, global_count=20
call_count=3, global_count=30

이 출력을 보면 call_count는 함수가 세 번 호출되는 동안 값이 계속 누적되지만(정적 변수, 데이터 영역에 딱 하나만 존재), local_x는 매번 함수가 호출될 때마다 스택에 새로 생겼다가 함수가 끝나면 사라진다. 만약 static을 빼고 int call_count = 0으로 지역 변수로 선언했다면, 매번 호출될 때마다 값이 0으로 초기화되어 항상 call_count=1만 출력됐을 것이다.

자주 틀리는 점: “정적(static) 변수는 정적 영역에 있으니 값이 안 바뀐다”고 오해하기 쉽다. 정적 변수는 저장 위치가 프로그램 실행 내내 고정되어 있다는 뜻이지, 값이 고정되어 있다는 뜻이 아니다. 위 예시처럼 정적 변수도 값은 계속 바뀐다. 다만 함수가 끝나도 그 값이 유지된다는 점이 지역 변수와의 차이다.

함수 호출과 스택 프레임

함수를 호출할 때마다 스택에는 스택 프레임(stack frame)이라는 하나의 덩어리가 쌓인다. 스택 프레임에는 다음 정보가 담긴다.

• 매개변수(parameter): 호출하는 쪽에서 넘겨준 값
• 복귀 주소(return address): 함수 실행이 끝나면 되돌아갈 코드 위치
• 지역 변수(local variable): 함수 내부에서 선언한 변수
• (경우에 따라) 이전 스택 프레임을 가리키는 정보

함수가 다른 함수를 호출하면 새 스택 프레임이 그 위에 쌓이고, 함수가 끝나 return하면 그 함수의 스택 프레임은 통째로 사라진다(pop). 이 원리를 다음 코드로 확인해 보자.

#include <stdio.h>
 
int square(int n) {
    int result = n * n;   /* square의 지역 변수 */
    return result;
}
 
int main(void) {
    int a = 3;
    int b = square(a);    /* square 호출 — 새 스택 프레임 생성 */
    printf("b=%d\n", b);
    return 0;
}

b=9

이 코드가 실행되는 동안 스택이 쌓이고 사라지는 순서를 표로 추적하면 다음과 같다.

이 흐름에서 핵심은 square 함수의 매개변수 n에는 a의 값 3이 그대로 복사되어 전달된다는 점이다. 이를 값에 의한 전달(pass by value)이라 부르며, 10편(함수)과 13편(포인터와 함수)에서 이 전달 방식이 배열·포인터를 넘길 때 어떻게 달라지는지 깊게 다룬다. 지금은 “함수를 호출할 때마다 스택에 새 프레임이 쌓이고, 함수가 끝나면 그 프레임이 통째로 사라진다”는 그림만 기억하면 된다.

자주 틀리는 점: 함수가 끝난 뒤에도 그 함수의 지역 변수 주소를 계속 쓸 수 있다고 착각하는 경우가 있다. 예를 들어 square 함수가 result의 주소를 반환해 버리면, square의 스택 프레임은 함수 종료와 동시에 사라지므로 그 주소에 있던 값은 더 이상 유효하지 않다. 이런 실수를 댕글링 포인터(dangling pointer)라 하며 17편에서 자세히 다룬다.

포인터·배열·동적 메모리, 지금은 역할만 미리 본다

이번 편의 메모리 지도 위에서 앞으로 배울 세 가지 개념이 각각 어떤 역할을 하는지 미리 짚어 둔다.

• 포인터(pointer): 메모리 주소 자체를 값으로 저장하는 변수다. 스택에 있는 변수의 주소든, 힙에 있는 동적 메모리의 주소든 가리킬 수 있다. 자세한 문법은 12편에서 배운다.
• 배열(array): 같은 자료형의 값을 연속된 메모리 공간에 나란히 저장한 것이다. 지역 변수로 선언하면 스택에, 전역으로 선언하면 데이터 영역에, malloc으로 만들면 힙에 자리 잡는다. 11편에서 자세히 배운다.
• 동적 메모리 할당(dynamic memory allocation): malloc, calloc, realloc 같은 함수로 실행 중에 필요한 만큼 힙 메모리를 요청하고, 다 쓰면 free로 반납하는 것이다. 스택과 달리 함수가 끝나도 저절로 사라지지 않으므로 프로그래머가 직접 관리해야 한다. 17편에서 자세히 배운다.

이 세 가지가 왜 시험에서 늘 함께 나오는지도 이 그림으로 설명된다. 포인터는 “주소를 담는 그릇”이고, 배열과 동적 메모리는 “주소로 찾아갈 수 있는 실제 데이터 덩어리”이기 때문에, 결국 포인터 문제 대부분은 “이 포인터가 스택의 어느 변수를 가리키는가, 아니면 힙의 어느 블록을 가리키는가”를 묻는 문제로 귀결된다.

핵심 정리

• 프로세스의 메모리는 텍스트(코드)·데이터(전역·정적)·힙(동적 할당)·스택(지역 변수·함수 호출 정보) 네 영역으로 나뉜다.
• 스택은 높은 주소에서 낮은 주소로, 힙은 낮은 주소에서 높은 주소로 자라며 서로를 향해 다가간다.
• 지역 변수는 스택에, 전역·정적 변수는 데이터 영역에, malloc으로 얻은 메모리는 힙에 저장된다. 정적 변수는 값이 고정되는 것이 아니라 저장 위치와 생존 기간이 프로그램 전체로 고정되는 것이다.
• 함수를 호출할 때마다 매개변수·복귀 주소·지역 변수를 담은 스택 프레임이 쌓이고, 함수가 끝나면 그 프레임이 통째로 사라진다.
• 함수 종료 후 사라진 스택 프레임의 지역 변수 주소를 계속 쓰면 댕글링 포인터 문제가 생긴다.

마무리 복습

참고 자료

• 국가평생교육진흥원 독학학위제 
• cppreference.com - C 언어 메모리 관리 개요