큐(queue)는 데이터가 먼저 들어간 것이 먼저 나오는 특성을 가진 자료구조입니다. C언어에서 링크드 리스트를 사용하여 큐를 구현하는 방법과 메모리 레이아웃을 그림으로 함께 설명하겠습니다.

링크드 리스트로 큐 구현하기

 링크드 리스트로 큐를 구현하면 동적 메모리 할당을 통해 유연하게 크기를 조절할 수 있습니다. 아래는 큐의 기본 동작인 삽입(enqueue)과 삭제(dequeue)에 대해 단계별로 설명합니다.

큐 노드 정의하기

 큐 노드를 정의하는 구조체를 설계합니다. 이 구조체는 데이터와 다음 노드를 가리키는 포인터를 포함합니다.

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

typedef struct Node {
    int data;
    struct Node* next;
} Node;

Node* front = NULL;
Node* rear = NULL;

삽입 함수 구현하기 (Enqueue)

 새로운 데이터를 큐에 추가하는 함수입니다.

void enqueue(int value) {
    Node* newNode = (Node*)malloc(sizeof(Node));
    if (!newNode) {
        printf("메모리 할당 오류\n");
        return;
    }
    newNode->data = value;
    newNode->next = NULL;
    if (rear == NULL) {
        front = rear = newNode;
    } else {
        rear->next = newNode;
        rear = newNode;
    }
    printf("%d 삽입\n", value);
}

삭제 함수 구현하기 (Dequeue)

 큐에서 가장 먼저 추가된 데이터를 제거하는 함수입니다.

int dequeue() {
    if (front == NULL) {
        printf("큐가 비어 있습니다\n");
        return -1;
    }
    int value = front->data;
    Node* temp = front;
    front = front->next;
    if (front == NULL) {
        rear = NULL;
    }
    free(temp);
    printf("%d 제거\n", value);
    return value;
}

메모리 레이아웃

 링크드 리스트 형태의 큐를 시각적으로 이해하기 위해 메모리 레이아웃을 그림으로 표현해보겠습니다. 아래 예제는 10, 20, 30을 순서대로 삽입한 후 10을 제거하는 과정입니다.

초기 상태 (빈 큐):

front -> NULL
rear  -> NULL

10 삽입 후:

front -> [10|NULL]
rear  -> [10|NULL]

20 삽입 후:

front -> [10|next] -> [20|NULL]
rear  -> [20|NULL]

30 삽입 후:

front -> [10|next] -> [20|next] -> [30|NULL]
rear  -> [30|NULL]

10 제거 후:

front -> [20|next] -> [30|NULL]
rear  -> [30|NULL]

예제 실행 코드

 마지막으로 완전한 프로그램을 작성하여 큐의 삽입 및 삭제 기능을 검증할 수 있습니다.

int main() {
    enqueue(10);
    enqueue(20);
    enqueue(30);
    dequeue();
    dequeue();
    dequeue();
    return 0;
}

큐의 특성 요약

 링크드 리스트로 구현된 큐는 다음과 같은 장점과 단점을 갖습니다.

 이처럼 링크드 리스트를 사용하면 동적 메모리 할당이 가능하여 큐의 크기를 유연하게 조절할 수 있지만, 각 노드마다 포인터를 유지해야 해서 메모리 오버헤드가 발생할 수 있습니다.

 C언어는 복합 데이터 타입을 지원하며, 주요한 두 가지가 바로 구조체(struct)와 공용체(union)입니다. 구조체와 공용체의 활용법, 메모리 사용 방식, 예제 코드를 통해 그 차이점을 명확히 이해해 봅시다.

구조체

구조체의 정의 및 사용

 구조체(struct)는 다양한 데이터 타입을 하나의 데이터 타입으로 만들 수 있게 해줍니다. 예를 들어, 사람의 정보를 저장할 때, 이름(문자열), 나이(정수), 키(실수) 등을 하나의 구조로 표현할 수 있습니다.

#include <stdio.h>

struct Person {
    char name[50];
    int age;
    float height;
};

int main() {
    struct Person person1;
    strcpy(person1.name, "Alice");
    person1.age = 25;
    person1.height = 5.5;

    printf("Name: %s\n", person1.name);
    printf("Age: %d\n", person1.age);
    printf("Height: %.2f\n", person1.height);

    return 0;
}

구조체의 메모리 사용 방식

 구조체는 각 변수의 메모리 크기를 합한 값을 사용합니다. 예를 들어, 위의 Person 구조체는 문자열(50 bytes), 정수(4 bytes), 실수(4 bytes)로 총 58 bytes의 메모리를 차지하게 됩니다. 다음 그림은 이를 나타낸 것입니다.

|    name      |    age    | height  |
|---50 bytes---|--4 bytes--|-4 bytes-|

구조체의 장단점

 구조체의 주요 장점은 다양한 데이터 타입을 하나의 타입으로서 묶어서 재사용할 수 있다는 점입니다. 그러나 메모리를 절약하는 데에는 효율적이지 않을 수 있습니다.

공용체

공용체의 정의 및 사용

 공용체(union)는 모든 멤버 변수가 하나의 메모리 공간을 공유합니다. 즉, 한 변수의 값이 변하면 다른 변수의 값도 함께 변할 수 있습니다.

#include <stdio.h>

union Data {
    int i;
    float f;
    char str[20];
};

int main() {
    union Data data;
    data.i = 10;
    printf("data.i : %d\n", data.i);

    data.f = 220.5;
    printf("data.f : %.2f\n", data.f);

    strcpy(data.str, "C Programming");
    printf("data.str : %s\n", data.str);

    return 0;
}

공용체의 메모리 사용 방식

 공용체는 가장 큰 변수의 메모리 크기만큼의 공간만 차지합니다. 예를 들어, 위의 Data 공용체는 정수(4 bytes), 실수(4 bytes), 문자열(20 bytes) 중 가장 큰 값인 20 bytes만을 사용합니다. 다음 그림은 이를 나타낸 것입니다.

|         str        |
|------20 bytes------|

공용체의 장단점

 공용체의 가장 큰 장점은 메모리를 절약할 수 있다는 점입니다. 그러나 각 변수들이 메모리를 공유하기 때문에 사용 시 주의를 요합니다. 변수를 잘못 사용하면 데이터가 손상될 수 있습니다.

구조체와 공용체 비교

 아래 표는 구조체와 공용체의 주요 차이점을 요약합니다.

구조체와 공용체 선택 기준

 어떤 상황에서 구조체를 사용하고, 어떤 상황에서 공용체를 사용해야 할까요? 프로젝트의 용도와 메모리 사용 효율을 고려하여 선택할 수 있습니다.

언제 구조체를 사용할 것인가?

 구조체는 각 데이터를 독립적으로 관리하고자 할 때 유용합니다. 다양한 데이터 타입을 포함할 때도 구조체를 사용하는 것이 좋습니다.

언제 공용체를 사용할 것인가?

 공용체는 메모리가 제한적인 환경에서 효과적입니다. 하나의 변수만 사용할 길 때, 메모리 절약을 위해 공용체를 사용하는 것이 유리합니다.