[기초] 컴퓨터 프로그램

컴퓨터 프로그램 실행의 비밀: 스택, 포인터, 레지스터 완전 정복

도입: 컴퓨터는 어떻게 프로그램을 이해할까요?

컴퓨터가 프로그램을 실행하는 과정은 마치 요리사가 레시피를 따라 요리하는 것과 비슷합니다. 레시피(프로그램 코드)에는 수많은 조리 단계(명령어)가 순서대로 적혀있죠. 요리사는 이 단계를 하나씩 따라가며 재료를 손질하고, 조리 도구를 사용해 맛있는 요리를 완성합니다. 컴퓨터도 CPU라는 중앙 처리 장치가 프로그램의 명령어를 하나씩 읽고 처리하며 결과를 만들어냅니다.

하지만 요리사가 요리를 하려면 레시피 외에도 여러 도구가 필요합니다. 재료를 잠시 올려둘 임시 작업대, 필요한 재료가 어디에 있는지 알려주는 주소록, 그리고 가장 자주 쓰는 칼이나 국자를 손이 바로 닿는 곳에 두는 가장 빠른 도구함이 있어야 효율적으로 일할 수 있습니다.

이 글에서는 컴퓨터가 프로그램을 실행할 때 사용하는 세 가지 핵심 도구인 스택(Stack), 포인터(Pointer), **레지스터(Register)**에 대해 알아봅니다. 이들은 각각 프로그램의 '임시 작업대', '데이터의 주소록', 'CPU의 가장 빠른 도구함' 역할을 하며, 이 세 요소가 어떻게 협력하는지 이해하면 컴퓨터의 동작 원리를 훨씬 깊이 있게 파악할 수 있습니다.

이제 프로그램의 '임시 작업대'인 스택부터 자세히 알아보겠습니다.

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1. 스택(Stack): 프로그램의 임시 작업 공간

스택(Stack)은 차곡차곡 쌓아 올린 접시 더미를 생각하면 쉽습니다. 접시를 쌓을 때는 맨 위에 하나씩 올리고, 사용할 때는 맨 위에 있는 것부터 차례로 꺼내죠. 이처럼 가장 마지막에 들어온 것이 가장 먼저 나가는(Last-In, First-Out, LIFO) 특징을 가진 메모리 공간이 바로 스택입니다. 프로그램은 이 공간을 함수 실행에 필요한 정보를 잠시 저장하는 임시 작업대로 사용합니다.

스택의 두 가지 핵심 역할은 다음과 같습니다.

• 함수의 반환 주소 저장 프로그램이 함수를 호출할 때(CALL 명령어 실행 시), CPU는 함수 실행이 끝난 뒤 돌아와야 할 위치를 스택에 책갈피처럼 저장합니다. 그리고 함수 실행이 끝나면 RET 명령어를 통해 스택에 저장된 주소로 안전하게 복귀합니다. 이 덕분에 함수 A가 함수 B를 호출하고, 함수 B가 다시 함수 C를 호출하는 복잡한 과정 속에서도 프로그램은 길을 잃지 않고 순서대로 작업을 마친 뒤 원래 위치로 돌아올 수 있습니다.
• 지역 변수 저장 함수 안에서 선언되고 사용되는 변수를 '지역 변수'라고 합니다. 이러한 지역 변수들은 스택에 저장됩니다. 덕분에 각 함수는 자신만의 독립적인 작업 공간을 가지게 되어, 다른 함수에 있는 같은 이름의 변수와 데이터가 섞일 염려 없이 안전하게 작업을 수행할 수 있습니다.

이처럼 스택은 프로그램이 체계적인 순서에 따라 함수를 실행하고 데이터를 안전하게 관리할 수 있도록 돕는 핵심적인 기반입니다.

스택이 데이터의 '위치'를 관리한다면, 이제 그 위치를 직접 가리키는 '주소'를 다루는 포인터에 대해 알아보겠습니다.

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2. 포인터(Pointer): 데이터의 위치를 담은 주소록

포인터(Pointer)는 데이터가 저장된 메모리 주소를 담고 있는 특별한 변수입니다. '집 주소가 적힌 쪽지'에 비유할 수 있습니다. 쪽지 자체가 집은 아니지만, 우리는 그 쪽지를 보고 집을 찾아갈 수 있죠. 마찬가지로 포인터는 데이터 그 자체가 아니라, 데이터가 어디에 있는지 알려주는 '주소' 정보를 담고 있습니다.

포인터는 왜 필요한가요?

포인터의 필요성을 가장 잘 보여주는 예시는 C언어의 scanf() 함수입니다.

• scanf() 함수는 사용자로부터 값을 입력받아 변수에 저장하는 역할을 합니다. 이때 scanf()는 값을 저장할 변수의 '주소'를 인자로 요구합니다. 왜냐하면 scanf() 함수는 자신의 실행 공간(스코프) 바깥에 있는 변수의 값을 직접 변경해야 하기 때문입니다. 만약 주소가 아닌 변수 값 자체를 넘겨주면, 함수는 그 값을 복사해서 사용할 뿐 원본을 바꿀 수 없습니다. 포인터를 통해 변수의 주소를 알려주면, 함수는 그 주소로 직접 찾아가 값을 수정할 수 있습니다.
• 또한 포인터를 사용하면 함수가 여러 개의 결과값을 반환하는 효과를 얻을 수 있습니다. 예를 들어, f1 (int x, int y, int *sum, int *product)와 같은 함수는 두 개의 숫자(x, y)를 받아 그 합과 곱을 계산합니다. 이때 합을 저장할 변수의 주소(*sum—여기서 *는 이 변수가 주소를 담는 포인터임을 의미합니다)와 곱을 저장할 변수의 주소(*product)를 함께 넘겨주면, 함수는 이 두 주소에 직접 계산 결과를 저장할 수 있습니다. 이는 마치 함수가 sum과 product라는 두 개의 값을 동시에 반환하는 것처럼 동작하게 만듭니다.

결론적으로 포인터는 함수가 자신의 영역을 넘어 다른 데이터에 접근하고 수정할 수 있게 해주는 강력한 도구이며, 이를 통해 프로그램의 유연성과 기능이 크게 확장됩니다.

이제 데이터의 주소를 넘어, CPU가 실제로 데이터를 처리할 때 사용하는 가장 빠른 저장 공간인 레지스터에 대해 알아보겠습니다.

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3. 레지스터(Register): CPU의 초고속 개인 비서

레지스터(Register)는 CPU 내부에 존재하는 가장 빠르고 작은 데이터 저장 공간입니다. 이는 마치 요리사가 가장 자주 쓰는 칼이나 양념통을 손이 바로 닿는 곳에 두는 것과 같습니다. 메모리(RAM)에서 데이터를 가져오는 것은 창고에서 재료를 가져오는 것처럼 시간이 걸리지만, 레지스터에 있는 데이터는 CPU가 즉시 사용할 수 있어 프로그램의 실행 속도를 비약적으로 향상시킵니다.

CPU가 레지스터만으로 모든 데이터를 처리하면 가장 빠르겠지만, 레지스터는 매우 비싸고 공간이 작아 많은 데이터를 담을 수 없습니다. 반면, 주 메모리(RAM)는 용량이 크지만 상대적으로 느립니다. 따라서 컴퓨터는 이 둘의 장점을 모두 활용하는 계층적 구조를 사용하며, 레지스터는 그 최전선에 있습니다.

레지스터의 종류와 사용법은 CPU의 설계 방식(아키텍처)에 따라 달라집니다. 과거에는 많은 인자를 스택을 통해 전달했지만, 이는 메모리 접근을 필요로 해 상대적으로 느렸습니다. 64비트 아키텍처로 발전하면서 CPU 내 레지스터 개수가 늘어나자, 가장 빈번하게 사용되는 처음 몇 개의 인자들을 레지스터로 직접 전달하여 속도를 높이는 방식이 표준으로 자리 잡았습니다. 대표적인 아키텍처인 x86, ARM, MIPS가 함수를 호출할 때 인수를 전달하고 값을 반환하는 방식을 비교해 보겠습니다.

아키텍처	인수 전달 방식	반환 값 저장	주요 특징
x86 (64비트)	첫 4~6개 인수는 레지스터(예: RCX, RDX, RDI, RSI)에 전달하고, 나머지는 스택에 저장합니다.	RAX 레지스터	GCC와 MSVC 컴파일러에 따라 사용하는 레지스터 순서가 다릅니다.
ARM (64비트)	X0~X7 레지스터를 사용하여 인수를 전달합니다.	X0 레지스터	함수 호출 시 돌아갈 주소를 X30 (Link Register)에 저장합니다.
MIPS	$A0~$A3 레지스터를 사용하여 인수를 전달합니다.	$V0~$V1 레지스터	항상 0을 담고 있는 $ZERO 레지스터가 있어 효율적인 연산이 가능합니다.

각 아키텍처는 고유한 특징을 가집니다.

• x86: 전통적으로 스택을 많이 사용했지만 64비트로 발전하면서 레지스터를 통한 데이터 전달이 크게 늘어나는 등 스택과 레지스터를 혼용하는 방식으로 발전해 왔습니다.
• ARM: 모바일 기기에서 널리 사용되며, 효율적인 명령어 처리를 위해 특정 역할을 하는 레지스터(예: Link Register)를 적극적으로 활용합니다.
• MIPS: 구조가 간결하고 규칙적이어서 교육용으로도 많이 쓰이며, 레지스터의 기본적인 역할을 이해하기에 좋습니다.

즉, 레지스터는 CPU가 데이터를 지체 없이 처리할 수 있게 함으로써 프로그램의 실행 속도를 결정하는 가장 핵심적인 요소라고 할 수 있습니다.

지금까지 배운 스택, 포인터, 레지스터가 어떻게 하나의 팀처럼 움직이는지 마지막으로 정리해보겠습니다.

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4. 결론: 세 요소의 완벽한 협업

우리가 처음 만났던 요리사를 다시 떠올려 봅시다. CPU라는 이름의 이 유능한 요리사는 스택, 포인터, 레지스터라는 세 가지 도구를 완벽하게 다루며 프로그램이라는 복잡한 요리를 완성합니다.

하나의 함수가 실행되는 과정은 이 요리사의 화려한 주방 쇼와 같습니다. 먼저, 함수를 호출(CALL)하면 요리사는 자신이 보던 레시피의 페이지를 스택(임시 작업대) 에 책갈피처럼 꽂아둡니다. 요리가 끝나면 그곳으로 돌아오기 위해서죠.

다음으로, 요리에 필요한 재료(인자)들을 준비합니다. 최신 주방(64비트 아키텍처)에서는 가장 자주 쓰는 재료 몇 가지는 레지스터(가장 빠른 도구함) 를 통해 바로 전달받고, 더 많은 재료는 작업대에 순서대로 올려놓습니다(스택에 저장). 때로는 주방 바깥 창고(메인 메모리)에 있는 특별한 재료가 필요할 때도 있는데, 이때는 포인터(데이터의 주소록) 에 적힌 주소를 보고 정확한 재료를 가져와 사용하거나 그 내용을 직접 수정하기도 합니다.

모든 준비가 끝나면, 요리사는 손이 가장 빨리 닿는 도구함인 레지스터에서 칼과 국자(데이터)를 꺼내 눈 깜짝할 사이에 재료를 손질하고(연산 수행), 결과물을 만들어냅니다. 완성된 요리 일부(반환 값)는 약속된 접시(특정 레지스터, 예: RAX)에 담아 서빙하고, 마지막으로 작업대에 꽂아두었던 책갈피(RET)를 보고 원래 보던 레시피 페이지로 돌아가 다음 조리 단계를 이어갑니다.

이처럼 스택, 포인터, 레지스터는 보이지 않는 곳에서 각자의 역할을 충실히 수행하며 프로그램이 원활하게 동작하도록 돕는 삼총사입니다. 이 세 가지 기본 개념을 이해하는 것은 컴퓨터 과학의 더 복잡하고 흥미로운 원리들을 탐험하는 데 튼튼한 기초가 될 것입니다. 여러분의 지적 호기심이 더 큰 배움으로 이어지기를 응원합니다.