[배열의 이해] 4. 배열의 포인터로의 붕괴(array to pointer decay)
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앞선 글(1. 배열 형식(array type))에서 배열은 포인터가 아닌 말 그대로 배열이라고 하였다. 그런데도 왜 보통 배열의 이름은 포인터라고 하는 것일까? 그것은 배열의 포인터로의 붕괴가 일어나면 결과적으로 배열의 이름은 포인터과 같아지기 때문(equivalent)이다. 그러나 이것은 배열의 이름과 포인터가 서로 동등하다(identical)는 것은 아니다.
1. 배열의 포인터로의 붕괴(array to pointer decay)
배열의 포인터로의 붕괴(array to pointer decay), 또는 배열의 붕괴(array decay)는 배열 형식(array type)이 표현식에 나타날 때 배열의 첫 번째 원소를 가리키는 포인터로 변환되는 현상을 말한다. 이때 포인터의 형식은 배열의 원소의 형식이며, 변환의 결과는 rvalue이다. 다시 말하면 배열 형식이 표현식에 나타날 때, 그 즉시 값이 배열의 첫 번째 원소의 주소값이고 형식이 배열의 원소 형식에 대한 포인터인 rvalue로 변환된다. 이러한 변환은 C/C++의 암시적 형변환(implicit conversion) 중 하나이다. 또한 변환의 결과가 rvalue이므로, 변환 결과로 생긴 포인터를 위한 별도의 메모리 공간이 따로 할당되는 것은 아니라는 것을 알 수 있다!
examples
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char str[] = {'d', 'e', 'c', 'a', 'y'};
char* ptr = str;
printf("%c", str[2]);
str의 형식은 char [5]으로, 배열 원소의 형식은 char이고 배열의 길이는 5이다. char* ptr = str; 에서 배열 형식 str이 표현식에 나타났다. 따라서 str은 배열의 포인터로의 붕괴(array to pointer decay) 현상에 의해 형식이 char * 이고 값이 배열의 첫 번째 원소의 주소값인 rvalue로 붕괴가 일어난다. 이 값은 곧 대입 연산자에 의해 char* 형 변수 ptr에 할당된다.
printf("%c", str[2]); 표현식에서 str[2]가 해석되는 과정을 살펴보자.
- 배열 첨자 연산자(subscript operator)가 연산자 정의에 의해 역참조 연산자 표현식
*((str) + (2))으로 대체된다. - 배열 형식
str이 표현식에 나타났으므로str은 배열의 붕괴에 의해 값이 배열의 첫 번째 원소의 주소값이고 형식이char *인 rvalue로 변환된다. str + 2표현식에 의해 포인터 덧셈 연산이 수행되어 값이 배열의 세 번째 원소의 주소값이고 형식이char *인 rvalue가 된다.- 이 값에 간접 참조 연산자가 적용되어 형식이
char이고 배열의 세 번째 원소를 의미하는 lvalue가 된다. 다섯째, lvalue는 lvalue conversion에 의해 값'c'로 대체된다.
따라서 printf("%c", str[2]);는 이러한 연쇄적인 연산에 의해 printf("%c", 99);가 되어 콘솔창에 c가 출력된다.
1.1. 배열의 붕괴의 3가지 예외
배열의 붕괴는 항상 일어나는 것은 아니다. 3가지 예외가 있는데 그것은 아래와 같다.
- 배열 형식이 sizeof 연산자의 피연산자로 쓰일 경우
- 배열 형식이 단항 주소 연산자 & 의 피연산자로 쓰일 경우
- 문자 배열 형식을 문자 리터럴(string literal)으로 초기화(initialize)할 때
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int arr[5];
printf("%lu\n", sizeof(arr));
printf("%lu\n", sizeof(arr + 2));
두 표현식 printf("%lu\n", sizeof(arr)); 과 printf("%lu\n", sizeof(arr + 2)); 를 보자. 이들은 64-bit 운영체제에서 각각 20과 8을 출력한다. 첫 표현식의 sizeof(arr) 에서 arr은 포인터로 붕괴하지 않고 배열 형식을 유지한다(예외 1번), 반면 두 번째 표현식의 sizeof(arr + 2)에서 arr은 이미 arr + 2 표현식에서 포인터로 붕괴하였고, 덧셈 연산자의 결과도 역시 포인터 형식이다. 따라서 sizeof의 결과로 포인터 형식의 크기인 8이 출력된다. (예외 2번에 대한 예시는 추후에 다룰 것이다.)
2. 배열의 붕괴로 인한 배열의 길이 정보의 손실
배열 형식은 3가지 예외를 제외하고 형식이 배열의 원소에 대한 포인터이고 값이 배열의 원소의 첫 번째의 주소값인 rvalue로 붕괴한다고 하였다. 이런 변환의 결과를 자세히 살펴보면 배열의 원소 형식에 대한 정보는 남아있지만, 배열의 원소의 개수, 즉 배열의 길이에 대한 정보가 손실되었다는 것을 알 수 있다. 이러한 이유로 배열이 포인터로 변환하는 현상을 배열의 붕괴(decay)라고 명명한 것이다.
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#include <stdio.h>
void func(unsigned short h[]) {
printf("%lu", sizeof(h));
}
int main(void) {
unsigned short k[7];
func(k);
return 0;
}
위 프로그램을 컴파일하고 실행시켜 보면 8을 출력한다. unsigned short [7] 형식의 k가 함수 func의 argument로 전달되는데, 이 과정에서 배열의 붕괴가 발생하여 k는 형식이 unsigned short* 이고 값이 배열의 첫 번째 원소의 주소값인 rvalue가 된다. 따라서 func 내부에서 sizeof(h)를 하게 되면 포인터의 크기인 8이 출력된다. 배열의 길이 정보가 손실된 것이다.
2.1. 배열을 함수의 매개변수로 전달할 때 길이 정보를 전달하는 이유
이처럼 배열의 이름은 배열의 붕괴로 인해 배열의 길이 정보가 손실되므로, 배열을 함수의 매개변수로 전달할 때 배열의 이름과 함께 배열의 길이도 전달해 주는 것이다. 배열 원소 형식이 T이고 배열의 원소가 N개인 배열 형식 k가 있을때, 다음 식은 항상 참이다.
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T k[N];
sizeof(k) / sizeof(*k) == N; // 값은 항상 참
sizeof(k)는 배열 형식에 대한 sizeof 연산에 의해 sizeof(T) * N 과 같다. 한편 표현식 *k 에서 k는 배열의 붕괴에 의해 배열의 첫 번째 원소를 가리키는 형식이 T *인 rvalue로 붕괴되고, 여기에 간접 참조 연산자 *를 적용하므로 *k는 형식이 T인 lvalue이다. 따라서 sizeof(*k)는 sizeof(T)와 같다. 즉 sizeof(k) / sizeof(*k)는 (sizeof(T) * N) / sizeof(T)이며, 배열 원소의 크기 sizeof(T)가 상쇄되므로 배열의 길이 N 만 남는다. 그래서 sizeof(k) / sizeof(*k) == N 은 항상 참이다.
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#include <stdio.h>
void func(unsigned short h[], int size) {
for (int i = 0; i < size; i++)
printf("%d ", h[i]);
}
int main(void) {
unsigned short k[7] = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7};
func(k, sizeof(k) / sizeof(k[0]));
return 0;
}
함수 func의 프로토타입(prototype)을 보면 배열 원소에 대한 포인터 매개변수와 배열의 크기 정보를 받기 위한 int형 매개변수가 선언되었다는 것을 알 수 있다. 따라서 함수를 호출할 때 배열의 이름과 배열의 길이 정보를 넘겨준다. sizeof(k) / sizeof(k[0]) 는 sizeof(k) / sizeof(*k)와 같고 이는 k의 배열의 길이인 7과 같다. 따라서 함수 func의 안의 반복문은 7번 반복하며 배열의 모든 원소를 순서대로 출력한다.