[C언어] 구조체와 공용체(2)

✅ 1. 함수와 구조체

(1) 구조체형 자료를 함수에 전달하는 2가지 방식

• 값에 의한 자료 전달 방식과 참조에 의한 자료 전달 방식 두 가지로 나뉨.

(2) 값에 의한 구조체형 자료 전달 방식

• 구조체 자료를 함수에 전달하는 방식이며, 함수의 형식 매개변수는 구조체형으로 선언함.
• 구조체 전체를 형식 매개변수에 복사함. 즉, 형식 매개변수는 실 매개변수의 복사본이며, 다른 주소값을 갖게 됨.
• 구조체의 용량이 큰 경우 인수 전달이 비효율적일 수 있음.
• 구조체 전체를 복사하므로 많은 시간을 소비하며, 구조체 복사본을 저장하기 위해 큰 기억공간을 사용하게 됨.

#include <stdio.h>
struct num calc(struct num); // 함수 선언
struct num {
  int x;
  int y;
  int sum;
  int mul;
};
int main() {
  struct num number1;
  number1.x = 10;
  number1.y = 20;
  number1 = calc(number1); // 구조체 전체가 통째로 복사되어 number1에 덮어씌워짐.
  printf("x:%d, y:%d, sum:%d, mul:%d\n",number1.x, number1.y, number1.sum, number1.mul);
  getchar();
}
struct num calc(struct num number2) {
  number2.sum = number2.x + number2.y;
  number2.mul = number2.x * number2.y;
  return(number2);
}

• 맨 하단에 calc() 함수는 형식 매개변수로 받는 자료형의 타입은 struct 타입이고, 반환 타입도 struct 타입으로 정의됨.
• 위와 같이 number1 = calc(number1); number1 에 대입되는 값으로는 return 받은 해당 구조체 복사본을 number1 에 덮어씌우게 됨. 수정 된 부분이나 추가 된 부분의 멤버만 바꾸는게 아닌, return 받은 구조체 전체를 덮어 씌우게 됨.
• ** 만약 별칭을 부여했다면, struct 키워드를 쓰지 않고 별칭으로 써도 됨. **
• ** 즉, struct num calc(struct num number2) -> Num calc(Num number2) 와 같은 형태가 될 수 있음. **

(3) 참조에 의한 구조체형 자료 전달 방식 ( 포인터 방식 )

• 구조체 포인터를 함수에 전달하는 방식이며, 함수의 형식 매개변수는 구조체 포인터형으로 선언함.
• 구조체의 포인터만 형식 매개변수에 복사하며, 포인터를 이용하여 실 매개변수에 해당되는 구조체의 내용을 수정할 수도 있음.
• 구조체의 기억공간 크기에 관계없이 1개의 주소만 전달하면 된다는 장점이 있음.
• 구조체의 용량이 큰 경우 구조체 전체 복사에 비해 효율적으로 자료를 전달 할 수 있으며, 기억공간도 효율적 사용할 수 있음.
• 즉, 값 전달 방식은 복사본을 만들기 때문에 구조체 하나가 메모리를 차지하게 되지만, 포인터 방식은 구조체의 주소값을 저장 할 수 있는 변수 하나만 있으면 됨. 효율적임.

#include <stdio.h>
struct num *calc(struct num *); // 함수 선언
struct num {
  int x;
  int y;
  int sum;
  int mul;
};
int main() {
  struct num number1;
  number1.x = 10;
  number1.y = 20;
  calc(&number1); // 함수 호출 -> 주소값 전달
  printf("x:%d, y:%d, sum:%d, mul:%d\n",number1.x, number1.y, number1.sum, number1.mul);
  getchar();
}
struct num *calc(struct num *number2) {
  number2.sum = number2.x + number2.y;
  number2.mul = number2.x * number2.y;
  return(number2);
}

• main() 함수 내부에서 calc(&number1) 로 주소값을 전달하면서 함수를 호출 할 수 있음.
• calc 함수는 포인터 변수로 주소값을 받을 수 있는데, 이때 함수명에도 포인터를 붙히게 됨.

---

✅ 2. 구조체 비트필드

(1) 비트필드

[ 비트필드 란? ]

• 구조체의 멤버가 있는 곳을 필드라 하는데, 해당 필드에서 멤버들은 자료형을 가지고 있음.
• 이러한 자료형을 비트 단위로 지정하여 자죠를 저장할 수 있게 멤버를 정의한 것이 비트필드임.
• 쉽게말해, 자료형 말고 비트 단위로 사용자 정의 자료형으로 볼 수 있음.

[ 비트필드의 사용 목적 ]

🔍 비트 단위 플래그
**플래그(flag)**는 어떤 상태, 조건, 옵션 등을 “켜짐/꺼짐(1/0)”으로 표현하는 값을 의미
예시)
공격 가능 여부: 1 또는 0
방어 상태 여부: 1 또는 0
점프 가능 여부: 1 또는 0
이런 “상태”들을 1비트로 표현할 수 있음.

• 필요한 만큼의 비트를 이용하여 자료를 저장함으로써 기억공간 절약
• 비트 단위로 특정 상태나 조건 등을 표현하는 플래그(flag)를 표현하는 용도의 자료

(2) 비트필드 - 정의 형식

• 일반적으로는 int 또는 unsigned int 를 활용하지만, 컴파일러 구현에 따라 다른 정수형도 가능함. ( 즉, 일단 정수만 됨. )
• 또한, 실수형, 포인터형, 사용자 정의형, 배열 자료형은 사용이 불가능함.
• 그리고 하나의 비트필드의 크기는 자료형 이내여야 하기 때문에 int(32bit) 를 넘어서는 비트크기를 지정하면 오류남.

• a,b,c 가 각각의 멤버별로 지정한 비트 수 만큼의 공간만 사용함.
• 비트필드간은 자료형에 따른 기억공간을 공유하기 때문에, a,b,c 각각은 32bit 내부에서 1, 2, 1 bit 씩 차지를 하게 됨.
• 즉, 공간에 대한 효율성을 올릴 수 있음.
• sizeof(struct nibble) == sizeof(int) 의 결과는 true가 나옴. 즉, 해당 구조체의 크기가 int(32bit) 동일하다는 의미임.

• 컴파일러 구현에 따라 다른 정수형도 가능하므로, short 자료형 또한 이용이 가능 할 수도 있음.

(3) 비트필드 - 사용 예시

• short(16bit) 크기를 가지는 자료형이기 때문에, 16개의 공간을 가지고 있음.
• 이후, 비트 필드로 크기를 지정하면 해당 크기에서 표현이 가능한 값만 넣을 수 있음.
• 예를들어, 비트필드를 1bit 를 할당 했는데, 거기에 2 or 3 or 4 .. 를 넣는 경우는 오류가 날 수 있음.
• 이후, 멤버를 참조해서 수정을 할 시, 비트의 값이 변경이 되게 되며, 크기에 맞는 수만 넣을 수 있음.

• unsigned 의 default 는 int 자료형임. 즉, 32 bit 크기를 메모리에 할당함.

(4) 비트필드 - 저장

• 위와 같이 short 은 16bit 를 가지는 자료형인데 5, 6, 6, 4 = 21bit 를 차지하는 비트필드가 선언이 됨.
• 크기가 맞지 않기 때문에 short(16bit) 를 2개 사용을 하게 됨. ( 32bit 할당 )
• 하지만, 세부적으로 a, b 는 들어가는데 c가 들어가기 에는 1bit 공간이 부족함. 즉, 엑세스 경계에 걸쳐있는 경우임.
• 이러한 경우에는 2번에 걸쳐서 비트를 읽어야 되고, 그 비트를 논리적으로 합치는 과정을 거쳐야함. 비효율적임.
• 그래서, c(6bit) 를 다음 short 공간에 할당하고 그 다음 d(4bit) 를 할당하고 나머지는 패딩으로 덮어씌우게 됨.

[ 멤버 이름이 없는 비트필드 - 패딩 ]

• unsigned short = 16bit 이다.
• 즉, 16bit 크기의 자료형을 할당 하고, 그곳에 멤버들을 비트필드로써 크기를 지정하여 넣는 과정이다.
• 이 과정에서 멤버이름이 없는 비트필드를 선언하면, 그곳에는 선언 된 비트필드의 크기 만큼 패딩을 배치 할 수 있음.

[ 멤버 크기가 0인 비트필드 - 패딩 ]

• 비트필드의 크기를 0으로 선언한 경우, 16bit 를 사용 중인 a 필드가 있는 경우이므로, 접근단위를 건너뛰어 다음 접근단위에 배치되게 함. 즉, 자료형 크기만큼 건너뛰게 되는 것임. 10 bit 를 패딩으로 덮고 건너뛰는 것임.

[ 다른 자료형의 비트 필드 ]

short a : 5 = short(16bit)
unsigned  b : 6 = int(32bit)
signed  c : 6 = int(32bit)
unsigned  d : 4 = int(32bit)

• 다양한 자료형을 가지는 비트필드가 존재한다면, 각 비트필드마다 공간을 할당을 해서 사용을 하게 됨.
• 또한, short 을 제외한 나머지는 int(32bit) 이므로, 엑세스하기 편하게 short 을 2개 써서 32bit 할당한 뒤 나머지 부분을 미사용 부분으로 남기며 총 64bit 공간을 할당해서 처리를 하게 됨.
• 즉, 접근 단위가 32bit 기준으로 되어서 4bit 단위로 접근을 한다? 라는것 같음.

---

✅ 3. 공용체

(1) 공용체 - 개념

• 구조체와 동일하게 다수의 멤버로 구성되는 사용자 정의 자료형이다.
• **구조체와 다른점: 구조체는 각각의 멤버가 다른 기억공간을 가지지만, 공용체는 각각의 멤버가 기억공간을 공유함.**
• 즉, 공용체는 다수의 멤버가 하나의 기억공간을 공유하여 각자의 자료형으로 공유 기억공간을 사용한다.
• 또한, 공용체의 기억공간은 각 멤버의 기억공간 크기 중 가장 큰 것을 저장할 수 있는 크기를 차지함.

(2) 공용체 - 활용 및 정의

• 구조체와 동일한 구조로 정의가 되며, 가장 큰 크기를 차지하는 double(8byte) 크기로 공간이 만들어진다.

(3) 공용체 - 변수의 선언

• 공용체 변수를 선언하기 위해서는 구조체의 struct 와 동일하게 union 키워드를 사용해 선언 할 수 있다.

(4) 공용체 - 멤버 접근

• 구조체와 동일하게 참조 연산자를 활용해서 접근 후 데이터를 삽입 할 수 있음.
• 데이터를 공유하기 때문에 위와 같이 abc.a = 'A'; 를 넣고 abc.b = 66; 를 넣게 되면, abc.a 의 값도 바뀌게 됨.
• 즉, 데이터 공간 자체를 공유하기 때문에 하나의 데이터를 바꾸면 전체 다 바뀌게 되는 형식임.

(5) 공용체 - 포인터 변수 멤버 접근

• 구조체와 동일하게 "->" 연산자를 이용 할 수 있음. 참고로 (*p).a 로도 접근이 가능함. 

(6) 공용체 - 예제

#include <stdio.h>

int main() {
    union test {
        short i; // 2byte
        float f; // 4byte
        double d; // 8byte
    };
    union test u; // union var 선언
    u.i = u.f = u.d = 0; // 사실상 d에만 0을 넣어도 초기화는 됨.
    printf("%zd bytes\n", sizeof(u)); // %zd: sizeof 리턴 되는 byte 수를 담기 위한 그릇
    u.i = 100;
    printf("%d %f %f \n", u.i, u.f, u.d);
    u.f = 0.5;
    printf("%d %f %f \n", u.i, u.f, u.d);
    u.d = 0.016667;
    printf("%f\n", u.d);
}
// [ 출력 ]
// 8 bytes
// 100 0.000000 0.000000 
// 0 0.500000 0.000000 
// 0.016667

• 공용체 test 를 정의한 뒤, 멤버로는 shhort, float, double 가 있기 때문에, 8byte 크기가 할당이 됨.
• 이후, u.i = u.f = u.d = 0; 초기화를 해주었지만, 사실상 메모리를 공유하기 때문에 d에만 0을 넣어도 초기화는 됨.
• 이후, i, f, d 를 출력을 하면 100, 0.000000, 0.000000 이 출력이 되는데, 모든 멤버 변수가 동일하게 100을 가지지 않는 이유는 u.f 와 u.d 는 공유하는 동일한 메모리 공간을 float, double 형식으로 해석하기 때문에 저장된 raw 비트가 정수형 100 이므로 float 이나 double 형태로는 정상적인 숫자가 아니라고 판단하기 때문에 0이 나오는 것임.
• 마찬가지로 0 0.500000 0.000000 이 나오는 것도 동일한 이유이다.