C로 쉽게 풀어쓴 자료구조 © Copyright 생능출판사 2011

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1 C로 쉽게 풀어쓴 자료구조 © Copyright 생능출판사 2011
CHAP 3:배열, 구조체, 포인터 C로 쉽게 풀어쓴 자료구조 © Copyright 생능출판사 2011

2 배열이란? 같은 형의 변수를 여러 개 만드는 경우에 사용 반복 코드 등에서 배열을 사용하면 효율적인 프로그래밍이 가능
int A0, A1, A2, A3, …,A9;  int A[10]; 반복 코드 등에서 배열을 사용하면 효율적인 프로그래밍이 가능 예) 최대값을 구하는 프로그램: 만약 배열이 없었다면? 1 2 3 4 5 6 7 8 9 tmp = score[0]; for (i=1; i<n; i++){ if ( score[i] > tmp ) tmp = score[i]; }

3 배열 ADT 배열: <인덱스, 요소> 쌍의 집합 인덱스가 주어지면 해당되는 요소가 대응되는 구조 배열 ADT
객체: <인덱스, 요소> 쌍의 집합 연산:   ▪ create(n) ::= n개의 요소를 가진 배열의 생성.  ▪ retrieve(A, i) ::= 배열 A의 i번째 요소 반환.  ▪ store(A, i, item) ::= 배열 A의 i번째 위치에 item 저장. 요소 인덱스

4 1차원 배열 int A[6]; A[0] A[1] A[2] A[3] A[4] A[5] base base+sizeof(int)

5 2차원 배열 int A[3][4]; // 배열 선언 후에 printf(“%p, %p”, A[0][0], A[0][1])로 확인
행-우선 (row-major) 변환 열-우선(column-major) 변환 A[2][0] A[2][1] A[2][2] A[1][0] A[1][1] A[1][2] A[0][0] A[0][1] A[0][2] A[2][3] A[0][3] … A[1][3] 논리적인 구조의 위치 실제 메모리안에서의 위치

6 n차원 배열의 1차원 배열 변환시 (행 우선 순서)
2차원 배열: A[u1][u2] A[i1][i2]의 주소 = α + ( i1 x u2 + i2 ) * sizeof(A의 타입) 단, α = A[0][0]의 주소 3차원 배열: A[u1][u2][u3] A[i1][i2][i3] 의 주소 = α + ( i1 x u2 x u3 + i2 x u3 + i3 ) * sizeof(A의 타입) 단, α = A[0][0][0]의 주소 열 우선 순서의 경우는 위의 예를 참조하여 추론할 것. (예제) 배열의 각 원소가 4 바이트를 차지하고, X[0][0]는 100번지, Y[0][0][0]는 10000번지에서 행 우선 순서로 저장될 때, X[8][10]과 Y[6][11][7]의 주소를 계산하시오. 단, X[10][25], Y[8][20][15] 임. X[8][10]의 주소 = 940 Y[6][11][7]의 주소 = 17888 위의 예제에서 열 우선 순서라면?

7 배열의 응용: 다항식 다항식의 일반적인 형태 프로그램에서 다항식을 처리하려면 다항식을 위한 자료구조가 필요-> 어떤 자료구조를 사용해야 다항식의 덧셈, 뺄셈,곱셈, 나눗셈 연산을 할때 편리하고 효율적일까? 배열을 사용한 2가지 방법 다항식의 모든 항을 배열에 저장 다항식의 0이 아닌 항만을 배열에 저장

8 다항식 표현 방법 #1 10 6 3 모든 차수에 대한 계수값을 배열로 저장 하나의 다항식을 하나의 배열로 표현 coef 1 2
6 3 1 2 4 5 7 8 9 #define MAX_DEGREE 101 typedef struct { int degree; float coef[MAX_DEGREE]; } polynomial; polynomial a = { 5, {10, 0, 0, 0, 6, 3} };

9 다항식 표현 방법 #1(계속) 장점: 다항식의 각종 연산이 간단해짐 단점: 대부분의 항의 계수가 0이면 공간의 낭비가 심함.
예) 다항식의 덧셈 연산: 프로그램 3.2 (p.71) 참조 #include <stdio.h> #define MAX(a,b) (((a)>(b))?(a):(b)) #define MAX_DEGREE 101 typedef struct { // 다항식 구조체 타입 선언 int degree; // 다항식의 차수 float coef[MAX_DEGREE]; // 다항식의 계수 } polynomial;

10 다항식 표현 방법 #1(계속) // C = A+B 여기서 A와 B는 다항식이다.
polynomial poly_add1(polynomial A, polynomial B) { polynomial C; // 결과 다항식 int Apos=0, Bpos=0, Cpos=0; // 배열 인덱스 변수 int degree_a=A.degree; int degree_b=B.degree; C.degree = MAX(A.degree, B.degree); // 결과 다항식 차수 while( Apos<=A.degree && Bpos<=B.degree ){ if( degree_a > degree_b ){ // A항 > B항 C.coef[Cpos++]= A.coef[Apos++]; degree_a--; }

11 다항식 표현 방법 #1(계속) else if( degree_a == degree_b ){ // A항 == B항
C.coef[Cpos++]=A.coef[Apos++]+B.coef[Bpos++]; degree_a--; degree_b--; } else { // B항 > A항 C.coef[Cpos++]= B.coef[Bpos++]; degree_b--; return C; // 주함수 void main( int argc, char *argv[] ) { polynomial a = { 5, {3, 6, 0, 0, 0, 10} }; polynomial b = { 4, {7, 0, 5, 0, 1} }; polynomial c; c = poly_add1(a,b); 다항식 표현 방법 #1(계속)

12 다항식 표현 방법 #2 다항식에서 0이 아닌 항만을 배열에 저장 (계수, 차수) 형식으로 배열에 저장
(예) 10x5+6x+3 -> ((10,5), (6,1), (3,0)) 하나의 배열로 여러 개의 다항식을 나타낼 수 있음. #define MAX_TERMS 101 struct { float coef; int expon; } terms[MAX_TERMS] = { {10,5}, {6,1}, {3,0} }; 3 8 1 7 10 2 4 5 6 9 A B avail coef expon terms

13 다항식 표현 방법 #2(계속) 장점: 메모리 공간의 효율적인 이용 단점: 다항식의 연산들이 복잡해진다(프로그램 3.3 참조).
(예) 다항식의 덧셈 A=8x3+7x+1, B=10x3+3x2+1, C=A+B A B avail 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 8 7 1 10 3 1 coef 3 1 3 2 expon A B C avail 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 8 7 1 10 3 1 18 3 7 2 coef 3 1 3 2 3 2 1 expon

14 다항식 표현 방법 #2(계속) #define MAX_TERMS 101 struct { float coef; int expon;
} terms[MAX_TERMS]={ {8,3}, {7,1}, {1,0}, {10,3}, {3,2},{1,0} }; int avail=6; // 두개의 정수를 비교 char compare(int a, int b) { if( a>b ) return '>'; else if( a==b ) return '='; else return '<'; }

15 다항식 표현 방법 #2(계속) // 새로운 항을 다항식에 추가한다.
void attach(float coef, int expon) { if( avail>MAX_TERMS ){ fprintf(stderr, "항의 개수가 너무 많음\n"); exit(1); } terms[avail].coef=coef; terms[avail++].expon=expon;

16 // C = A + B poly_add2(int As, int Ae, int Bs, int Be, int *Cs, int *Ce) { float tempcoef; *Cs = avail; while( As <= Ae && Bs <= Be ) switch(compare(terms[As].expon, terms[Bs].expon)){ case '>': // A의 차수 > B의 차수 attach(terms[As].coef, terms[As].expon); As++; break; case '=': // A의 차수 == B의 차수 tempcoef = terms[As].coef + terms[Bs].coef; if( tempcoef ) attach(tempcoef, terms[As].expon); As++; Bs++; break; case '<': // A의 차수 < B의 차수 attach(terms[Bs].coef, terms[Bs].expon); Bs++; break; } 다항식 표현 방법 #2(계속)

17 다항식 표현 방법 #2(계속) 가상실습 3.1 (p.73): 다항식의 덧셈 실습 // A의 나머지 항들을 이동함
for(; As<=Ae; As++) attach(terms[As].coef, terms[As].expon); // B의 나머지 항들을 이동함 for(; Bs<=Be; Bs++) attach(terms[Bs].coef, terms[Bs].expon); *Ce = avail -1; } // void main( int argc, char *argv[] ) { int Cs, Ce; poly_add2(0,2,3,5,&Cs,&Ce); 가상실습 3.1 (p.73): 다항식의 덧셈 실습

18 희소행렬 배열을 이용하여 행렬(matrix)를 표현하는 2가지 방법 희소행렬: 대부분의 항들이 0인 배열
(1) 2차원 배열을 이용하여 행렬의 전체 요소를 저장하는 방법 (2) 0이 아닌 요소들만 저장하는 방법 희소행렬: 대부분의 항들이 0인 배열

19 희소행렬 표현방법 #1 프로그램 3.4 : 희소행렬 덧셈 프로그램 2차원 배열을 이용하여 행렬의 전체 요소를 저장하는 방법
장점: 행렬의 연산들을 간단하게 구현할 수 있다. 단점: 대부분의 항들이 0인 희소 행렬의 경우에 많은 메모리 공간 낭비 2 1 5 4 6 3 9 8 7 7 8 9 5 1 2 3 A= B= 프로그램 3.4 : 희소행렬 덧셈 프로그램

20 희소 행렬 #1 #include <stdio.h> #define ROWS 3 #define COLS 3
// 희소 행렬 덧셈 함수 void sparse_matrix_add1(int A[ROWS][COLS], int B[ROWS][COLS], int C[ROWS][COLS]) // C=A+B { int r,c; for (r=0; r<ROWS; r++) for (c=0; c<COLS; c++) C[r][c] = A[r][c] + B[r][c]; }

21 희소 행렬 #1 void main( int argc, char *argv[] ) {
int array1[ROWS][COLS] = { { 2,3,0 }, { 8,9,1 }, { 7,0,5 } }; int array2[ROWS][COLS] = { { 1,0,0 }, { 1,0,0 }, { 1,0,0 } }; int array3[ROWS][COLS]; sparse_matrix_add1(array1, array2, array3); }

22 희소행렬 표현방법 #2 프로그램 3.5 : 희소행렬 덧셈 프로그램 -> 수정이 필요(?)
0이 아닌 요소들만 저장하는 방법 장점: 희소 행렬의 경우, 메모리 공간의 절약 단점: 각종 행렬 연산들의 구현이 복잡해진다. 헤더 정보 추가 필요 2 5 6 7 1 4 9 3 8 행 열 값 A= B= 프로그램 3.5 : 희소행렬 덧셈 프로그램 -> 수정이 필요(?)

23 희소 행렬 #2 #define ROWS 3 #define COLS 3 #define MAX_TERMS 10
typedef struct { int row; int col; int value; } element; typedef struct SparseMatrix { element data[MAX_TERMS]; int rows; // 행의 개수 int cols; // 열의 개수 int terms; // 항의 개수 } SparseMatrix;

24 희소 행렬 #2 // 희소 행렬 덧셈 함수 // c = a + b
SparseMatrix sparse_matrix_add2(SparseMatrix a, SparseMatrix b) { SparseMatrix c; int ca=0, cb=0, cc=0; // 각 배열의 항목을 가리키는 인덱스 // 배열 a와 배열 b의 크기가 같은지를 확인 if( a.rows != b.rows || a.cols != b.cols ){ fprintf(stderr,"희소행렬 크기에러\n"); exit(1); } c.rows = a.rows; c.cols = a.cols; c.terms = 0;

25 희소 행렬 #1 while( ca < a.terms && cb < b.terms ){
// 각 항목의 순차적인 번호를 계산한다. int inda = a.data[ca].row * a.cols + a.data[ca].col; int indb = b.data[cb].row * b.cols + b.data[cb].col; if( inda < indb) // a 배열 항목이 앞에 있으면 c.data[cc++] = a.data[ca++]; else if( inda == indb ){ // a와 b가 같은 위치 if (a.data[ca].value + b.data[cb].value) { c.data[cc].row = a.data[ca].row; c.data[cc].col = a.data[ca].col; c.data[cc++].value = a.data[ca++].value + b.data[cb++].value; } else { ca++; cb++; } else // b 배열 항목이 앞에 있음 c.data[cc++] = b.data[cb++]; 희소 행렬 #1

26 희소 행렬 #2 // 배열 a와 b에 남아 있는 항들을 배열 c로 옮긴다. for(; ca < a.terms; ca++)
c.data[cc++] = a.data[ca++]; for(; cb < b.terms; cb++) c.data[cc++] = b.data[cb++]; c.terms = cc; return c; } // 주함수 void main( int argc, char *argv[] ) { SparseMatrix m1 = { {{ 1,1,5 },{ 2,2,9 }}, 3,3,2 }; SparseMatrix m2 = { {{ 0,0,5 },{ 2,2,9 }}, 3,3,2 }; SparseMatrix m3; m3 = sparse_matrix_add2(m1, m2);

27 구조체 구조체(structure): 타입이 다른 데이터를 하나로 묶는 방법
배열(array): 타입이 같은 데이터들을 하나로 묶는 방법 배열 구조체 필드 1 char carray[100]; struct example { char cfield; int ifield; float ffield; double dfield; }; struct example s1;

28 구조체의 사용예 구조체의 선언(struct person)과 구조체 변수의 생성
char name[10]; // 문자배열로 된 이름 int age; // 나이를 나타내는 정수값 float height; // 키를 나타내는 실수값 }; struct person a; // 구조체 변수 선언 typedef을 이용한 구조체의 선언(person)과 구조체 변수의 생성 typedef struct person { char name[10]; // 문자배열로 된 이름 int age; // 나이를 나타내는 정수값 float height; // 키를 나타내는 실수값 } person; person a; // 구조체 변수 선언

29 구조체의 대입과 비교 연산 구조체 변수의 대입: 가능 구조체 변수끼리의 비교: 불가능
typedef struct person { char name[10]; // 문자배열로 된 이름 int age; // 나이를 나타내는 정수값 float height; // 키를 나타내는 실수값 } person; void main( int argc, char *argv[] ) { person a, b; b = a; // 가능 } 구조체 변수끼리의 비교: 불가능 void main( int argc, char *argv[] ) { person a, b; if ( a > b ) printf("a가 b보다 나이가 많음"); // 불가능 }

30 자체참조 구조체 자체 참조 구조체(self-referential structure): 필드중에 자기 자신을 가리키는 포인터가 한 개 이상 존재하는 구조체 연결 리스트나 트리에 많이 등장 typedef struct ListNode { char data[10]; struct ListNode *link; } ListNode; 구조체 배열의 예: p.86 참조 StudentType students[MAX_STUDENTS]; void main( int argc, char *argv[] ) { strcpy(students[0].name, “HongGilDong”); students[0].birthday.month = 10; students[0].birthday.date = 28; }

31 포인터(pointer) 포인터: 다른 변수의 주소를 가지고 있는 변수 포인터가 가리키는 내용의 변경: * 연산자 사용 주소
26 ‘A’ 변수 a 주소 포인터 p 포인터: 다른 변수의 주소를 가지고 있는 변수 char a='A'; char *p; p = &a; 포인터가 가리키는 내용의 변경: * 연산자 사용 26 ‘B’ 변수 a 주소 포인터 p *p= 'B';

32 포인터와 관련된 연산자 & 연산자: 변수의 주소를 추출 * 연산자: 포인터가 가리키는 곳의 내용을 추출 26 &a *p ‘A’
int a; // 정수 변수 선언 int *p; // 정수 포인터 선언 int **pp; // 정수 포인터의 포인터 선언 p = &a; // 변수 a와 포인터 p를 연결 pp = &p; // 포인터 p와 포인터의 포인터 pp를 연결

33 디양한 포인터 포인터의 종류 포인터의 형변환: 필요할 때마다 형변환하는 것이 가능하다.
void *p; // p는 아무것도 가리키지 않는 포인터 int *pi; // pi는 정수 변수를 가리키는 포인터 float *pf; // pf는 실수 변수를 가리키는 포인터 char *pc; // pc는 문자 변수를 가리키는 포인터 int **pp; // pp는 포인터를 가리키는 포인터 struct test *ps; // ps는 test 타입의 구조체를 가리키는 포인터 void (*f)(int) ; // f는 함수를 가리키는 포인터, // 예: void g(int), h(int); if (exp) f=g; else f=h; 포인터의 형변환: 필요할 때마다 형변환하는 것이 가능하다. void *p; pi = (int *) p;

34 함수의 파라미터로서의 포인터 함수안에서 파라미터로 전달된 포인터를 이용하여 외부 변수의 값 변경 가능 프로그램 3.6 참조
void swap(int *px, int *py) { int tmp; tmp = *px; *px = *py; *py = tmp; } void main( int argc, char *argv[] ) int a=1,b=2; printf("swap을 호출하기 전: a=%d, b=%d\n", a,b); swap(&a, &b); printf("swap을 호출한 다음: a=%d, b=%d\n", a,b); 프로그램 3.6 참조

35 배열과 포인터 배열의 이름: 사실상의 포인터와 같은 역할 컴파일러가 배열의 이름을 배열의 첫번째 주소로 대치
10 A[0] A 14 A[1] 18 A[2] 22 A[3] 26 A[4] 30 A[5] int *p, A[6]; p = A; // A[i], *(A+i), p[i], *(p+i) p 컴파일러가 배열의 이름을 배열의 첫번째 주소로 대치 int *a[3]; // 포인터 배열: 정수형 포인터가 3개 있는 배열; int (*a)[3]; // 배열의 포인터: 3개의 영역을 갖는 정수형 배열의 포인터 변수;

36 구조체와 포인터 구조체의 요소에 접근하는 연산자: -> void main( int argc, char *argv[] )
3.14 98 2 ps s s.i = ps->i s.f = ps->f void main( int argc, char *argv[] ) { struct { int i; float f; } s, *ps; ps = &s; ps->i = 2; ps->f = 3.14; }

37 포인터의 포인터 크기가 m행 n열인 이차원 배열의 예: 함수 포인터의 예: 프로그램 3.9 참조 할당: int **arr2;
56 26 ‘A’ 변수 a 포인터 p 89 포인터의 포인터 pp int a; // 정수 변수 선언 int *p; // 정수 포인터 선언 int **pp; // 정수 포인터의 포인터 선언 p = &a; // 변수 a와 포인터 p를 연결 pp = &p; // p와 포인터의 포인터 pp를 연결 크기가 m행 n열인 이차원 배열의 예: 함수 포인터의 예: 프로그램 3.9 참조 할당: int **arr2; arr2 = (int **) malloc(m * sizeof(int *)); for (int i = 0; i < m; i++) arr2[i] = (int *) malloc(n * sizeof(int)); 반납: for (int i = 0; i < m; i++) free(arr2[i]); free(arr2);

38 포인터에 대한 연산 포인터에 대한 사칙연산: 포인터가 가리키는 객체단위로 계산된다. 10 A[0] p 14 A[1] 18
p // 포인터 (예를 들면, int *p) p+1 // 포인터 p가 가리키는 객체의 바로 뒤 객체 p-1 // 포인터 p가 가리키는 객체의 바로 앞 객체 10 A[0] p 14 A[1] 18 A[2] 22 A[3] 26 A[4] 30 A[5] p+1 p-1 p // 포인터 *p // 포인터가 가리키는 값 *p++ // 포인터가 가리키는 값을 가져온 다음, 포인터를 한칸 증가한다. *p-- // 포인터가 가리키는 값을 가져온 다음, 포인터를 한칸 감소한다. (*p)++ // 포인터가 가리키는 값을 증가시킨다.

39 포인터 사용시 주의할 점 포인터가 아무것도 가리키고 있지 않을 때는 NULL로 설정 초기화가 안된 상태에서 사용 금지
int *pi=NULL; 초기화가 안된 상태에서 사용 금지 main() { char *pc; // 포인터 pc는 초기화가 안되어 있음 *pc = 'E’; // 위험한 코드 } 포인터 타입간의 변환시에는 명시적인 타입 변환 사용 int *pi; float *pf; pf = (float *)pi; 가상실습 3.2 : 포인터 연산의 학습

40 동적 메모리 할당 프로그램이 메모리를 할당받는 방법 정적 메모리 할당 정적 메모리 동적 메모리 할당
메모리의 크기는 프로그램이 시작하기 전에 결정 프로그램의 수행 도중에 그 크기가 변경될 수는 없다. 만약 처음에 결정된 크기보다 더 큰 입력이 들어온다면 처리하지 못할 것이고 더 작은 입력이 들어온다면 남은 메모리 공간은 낭비될 것이다. (예) 변수나 배열의 선언 int buffer[100]; char name[] = “data structure"; 프로그램의 실행 도중에 메모리를 할당받는 것 필요한 만큼만 할당을 받고 또 필요한 때에 사용하고 반납 메모리를 매우 효율적으로 사용가능 메모리 200바이트가 필요한데…. 운영체제 프로그램

41 동적 메모리 할당 전형적인 동적 메모리 할당 코드 동적 메모리 할당 관련 라이브러리 함수
void main( int argc, char *argv[] ) { int *pi; pi = (int *)malloc(sizeof(int)); // 동적 메모리 할당 ... … // 동적 메모리 사용 free(pi); // 동적 메모리 반납 } 동적 메모리 할당 관련 라이브러리 함수 malloc(size) // size 바이트 크기의 메모리 할당 calloc(n, size) // n개의 size 원소들의 배열을 할당하고, 0으로 초기화 realloc(ptr, size) // ptr이 가리키는 메모리의 크기를 size로 재조정 free(ptr) // 메모리 할당 해제 sizeof(var) // 변수나 타입의 크기 반환(바이트 단위)

42 동적 메모리 할당 라이브러리 malloc(int size) free(void ptr) sizeof 키워드
(char *)malloc(100) ; /* 100 바이트 할당 */ (int *)malloc(sizeof(int)); /* 정수형 1개를 저장할 메모리 할당*/ (struct Book *)malloc(sizeof(struct Book)); /* 하나의 구조체 생성 */ free(void ptr) ptr이 가리키는 할당된 메모리 블록을 반납 sizeof 키워드 변수나 타입의 크기 반환(바이트 단위) size_t i = sizeof( int ); // 4 struct AlignDepends { char c; int i; }; size_t size = sizeof(struct AlignDepends); // 8 int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 }; size_t sizearr = sizeof( array ) / sizeof( array[0] ); // 20/4=5

43 동적 메모리 할당 예제 struct Example { int number; char name[10]; };
void main( int argc, char *argv[] ) { struct Example *p; p = (struct Example *)malloc(2*sizeof(struct Example)); if (p==NULL) { fprintf(stderr, "can't allocate memory\n") ; exit(1) ; } p->number=1; strcpy(p->name,"Park"); (p+1)->number=2; strcpy((p+1)->name,"Kim"); free(p);