C 동적 할당 (malloc, free)

C 언어의 동적 할당(Dynamic Allocation)은 프로그램 실행 중에 필요한 만큼의 메모리를 힙(Heap) 영역에서 확보하고, 다 쓰면 직접 반납하는 메모리 관리 방식이다. 컴파일 시점에 크기를 알 수 없는 데이터를 다룰 때 필수적이며, malloc과 free를 중심으로 calloc, realloc 함수가 함께 쓰인다. 해제를 프로그래머가 책임지기 때문에 메모리 누수(Memory Leak)와 댕글링 포인터(Dangling Pointer) 같은 오류를 이해하는 것이 중요하다.

왜 동적 할당이 필요한가

지역 변수와 배열은 스택(Stack)에 잡히고 크기가 컴파일 시점에 고정된다. 스택 변수는 함수가 반환되면 자동으로 사라지므로 함수 밖으로 살아남는 데이터를 만들 수 없고, 스택 크기 자체도 보통 수 MB 수준으로 제한된다. 반면 사용자 입력 개수만큼 배열을 만들거나, 연결 리스트(Linked List)와 트리처럼 실행 중에 크기가 변하는 자료구조를 구현하려면 실행 시점에 크기를 정할 수 있어야 한다. 힙은 프로그래머가 명시적으로 해제하기 전까지 유지되고 스택보다 훨씬 큰 공간을 쓸 수 있어 이런 요구를 충족한다.

malloc, calloc, realloc, free

malloc(size)은 요청한 바이트 수만큼 힙에서 공간을 확보하고 시작 주소를 void 포인터로 반환한다. 할당된 공간은 초기화되지 않아 쓰레기 값이 들어 있다. calloc(n, size)은 n개 곱하기 size 바이트를 할당하면서 전체를 0으로 초기화한다는 점이 다르다. realloc(ptr, newSize)은 기존 블록의 크기를 조정하는데, 제자리에서 늘릴 수 없으면 새 블록을 할당해 기존 내용을 복사하고 옛 블록을 해제하므로 반환된 주소가 바뀔 수 있다. free(ptr)는 할당받은 블록을 반납한다.

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

int main(void) {
    int n = 5;
    int *arr = (int *)malloc(sizeof(int) * n);
    if (arr == NULL) {          /* 할당 실패 확인은 필수다 */
        return 1;
    }
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        arr[i] = i * 10;
    }

    int *tmp = (int *)realloc(arr, sizeof(int) * n * 2);
    if (tmp == NULL) {          /* 실패 시 arr는 여전히 유효하다 */
        free(arr);
        return 1;
    }
    arr = tmp;

    free(arr);
    arr = NULL;                 /* 댕글링 포인터 방지 습관 */
    return 0;
}

할당에 실패하면 NULL이 반환되므로 반드시 검사해야 한다. 특히 realloc의 반환값을 원본 포인터에 바로 대입하면, 실패했을 때 원본 주소를 잃어버려 해제할 방법이 없어지므로 위 예시처럼 임시 포인터로 받는 것이 안전하다.

메모리 관점에서 본 동작

malloc이 반환하는 블록 앞에는 할당기(Allocator)가 관리하는 헤더가 붙어 블록 크기 같은 메타데이터가 저장된다. free(ptr)에 크기를 넘기지 않아도 해제가 가능한 이유가 이 헤더 덕분이다. 할당기는 해제된 블록들을 가용 리스트(Free List) 같은 구조로 관리하다가 다음 요청에 재사용하며, 힙 공간이 부족하면 brk나 mmap 같은 시스템 호출(System Call)로 운영체제에서 추가 공간을 받아온다. 시스템 호출은 비용이 크기 때문에 할당기가 중간에서 공간을 재활용하는 것이다.

할당과 해제가 반복되면 힙 곳곳에 작은 빈 블록이 흩어지는 단편화(Fragmentation)가 발생한다. 전체 가용 공간은 충분한데 연속된 큰 블록이 없어 할당에 실패할 수 있으며, 장시간 실행되는 서버 프로그램에서 특히 문제가 된다.