[프로그래밍 개념] 동적 배열과 정적 배열

배열은 연속된 메모리 공간을 저장 공간으로 사용하기 때문에 사이즈가 고정되어 있다고 배웠는데, 이 저장 공간 사이즈를 변경할 수 있는 존재로 "동적 배열"이 있다니. 솔직히 좀 당황스러웠음. 배열은 구지 사이즈 고정시켜 놓고서 불편하다고 동적 배열 만들었네.

출처

ChatGPT

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1. 정적 배열 Static Array

정적 배열은 크기가 고정된 배열이다. 배열이 생성될 때 크기가 정해지며, 이후에는 배여의 크기를 변경할 수 없다.

자바에서 기본 배열 타입인 int[], char[] 등은 정적 배열의 예이다. 크기를 지정하고 나면 변경할 수 없다.

기본 원리

• 배열을 선언할 때 크기를 명시적으로 지정해야 하며, 한 번 설정된 크기는 변경할 수 없다.

• 관련 글 -> [프로그래밍 개념] (정적) 배열은 왜 크기가 고정되어 있는가

• 모든 요소는 배열이 선언된 시점부터 고정된 메모리 공간을 점유하게 된다.

장점

빠른 메모리 할당

정적 배열은 메모리 공간을 한 번만 할당하므로 메모리 할당과 해제에 필요한 시간이 적다.

예측 가능한 성능

크기가 고정되어 있기 때문에 메모리 사용량이 예측 가능하고, 동적 배열과 달리 크기 조정에 따른 성능 저하가 없다.

단점

비효율적인 메모리 사용

배열이 크기를 초과하여 데이터를 저장할 수 없고, 미리 할당한 공간을 모두 사용하지 않으면 메모리 낭비가 발생할 수 있다.

유연성 부족

크기가 고정되어 있어, 프로그램 실행 중에 데이터의 양이 예측하기 어려운 경우에 적합하지 않다.

 

2. 동적 배열 Dynamic Array

동적 배열을 크기가 자동으로 조정될 수 있는 배열다. 프로그램 실행 중에 배열의 크기를 유연하게 늘리거나 줄일 수 있는 특징을 가지고 있다.

자바의 ArrayList는 내부적으로 동적 배열을 사용하며, 필요에 따라 자동으로 배열의 크기를 조정하여 데이터를 저장한다.

기본 원리

• 처음에 고정된 크기의 배열을 생성한다. 이 초기 크기는 작게 시작하는 것이 일반적이다.
• 배열이 가득 차서 더 이상 데이터를 저장할 수 없을 때, 새로운 더 큰 배열을 할당하고 기존 배열의 데이터를 모두 새로운 배열로 복사한다.
• 일반적으롤 새 배열의 크기를 기존 배열 크기의 두 배 또는 1.5배로 증가한다. 이 방식은 자주 발생할 수 있는 배열 크기 변경에 다른 성능 저하를 줄이기 위해 사용된다.

장점

유연한 크기 조정

배열의 크기가 필요에 따라 늘어나거나 줄어들기 때문에 저장 공간을 효율적으로 사용할 수 있다.

빠른 액세스 속도

인덱스를 통해 직접 요소에 접근할 수 있어 O(1) 시간 복잡도로 데이터에 빠르게 접근할 수 있다.

단점

크기 조정 비용

배열이 가득 찼을 때 크기를 늘리기 위해 새로운 배열을 할당하고 기존 데이터를 복사하는 작업은 O(n) 시간 복잡도를 가지며, 많은 리소스를 소모할 수 있다.

메모리 사용량 증가

배열의 크기를 조정할 때마다 새로운 배열이 할당되곡 이전 배열의 데이터가 복사되므로 메모리 사용량이 일시적으로 증가할 수 있다.

 

동적 배열의 필요성과 탄생

배열이라는 용어는 일반적으로 동일한 타입의 요소들이 연속적으로 메모리 저장되는 데이터 구조를 가르킨다. 전통적으로 배열의 크기는 고정되어 있으며, 할당된 메모리 공간이 가득 차면 더이상의 데이터를 추가할 수 없다. 이러한 특성 때문에 이를 정적 배열이라 부른다.

하지만  소프트웨어 개발이 진화함에 따라 다양한 요구 사항이 생겨났고, 그에 따라 배열의 크기를 동적으로 조정할 수 있는 필요성이 생겼다. 예를 들어, 사용자가 입력한 데이터를  저장하거나, 크기가 가변적인 데이터를 처리해야 할 때 배열의 크기를 동적으로 변경할 수 있는 기능이 매우 유용하다. 이에 따라 동적 배열(Dynamic Array)의 개념이 등장했다.

 

동적 배열의 필요성과 탄생

1. 가변적인 데이터 저장

많은 애플리케이션에서는 데이터의 양이 사전에 정해져 있지 않다. 예를 들어, 사용자가 입력하는 데이터의 수를 미리 알 수 없는 경우가 있다. 이럴 때, 미리 배열의 크기를 고정해 두면 메모리 낭비가 발생할 수 있고, 예상보다 많은 데이터가 들어오면 배열이 부족할 수 있다.

2. 메모리 효율성

동적 배열은 처음에는 작은 크기의 배열을 할당한 뒤, 배열이 가득 차면 더 큰 크기의 배열을 할당하고 기존 데이터를 복사한다. 이는 필요한 만큼만 메모리를 사용하게 하여, 불필요한 메모리 낭비를 줄인다.

3. 성능 최적화

크기를 동적으로 변경할 수 있는 기능은 데이터의 양이 변동하는 상황에서 효율적으로 메모리를 사용할 수 있게 해 준다. 예를 들어, ArrayList는 자바에서 가장 많이 사용되는 동적 배열의 구현체로, 내부적으로 배열의 크기를 동적으로 관리한다. 데이터의 양이 증가할 때마다 크기를 1.5배 혹은 2배 증가시킴으로써, 빈번한 메모리 재할당을 줄이고 성능을 최적화한다.

정적 배열과 동적 배열의 구분 이유

1. 고정된 메모리 할당과 가변 메모리 할당의 차이

• 정적 배열은 크기가 고정되어 있으며, 선언 시 크기를 지정하고 메모리에 연속적으로 할당된다. 따라서 메모리 사용이 예측 가느하고 일정한 성능을 보장할 수 있다.
• 동적 배열은 처음에 고정된 크기의 배열을 생성하지만, 필요할 경우 크기를 변경할 수 있다. 이는 실행 시간 동안 크기를 조정하여 다양한 양의 데이터를 처리할 수 있다.

2. 사용 용도의 차이

 

• 정적 배열은 배열의 크기가 사전에 명확하게 정의된 경우, 예를 들어, 고정된 크기의 데이터 세트를 처리할 때 사용된다.
• 동적 배열은 크기가 변할 수 있는 데이터 세트, 예를 들어 사용자 입력이나 실시간 데이터 수집 시에 적합하다.

 

3. 기능과 성능의 차이

 

• 정적 배열은 메모리 할당 및 접근 속도가 빠르며, 메모리 효율이 높지만 크기 조정이 불가능하다.
• 동적 배열은 크기 조정이 가능하나, 크기가 변할 때마다 새로운 배열을 할당하고 데이터를 복사해야 하므로 성능 비용이 발생할 수 있다.

 

 

3. 동적 배열과 정적 배열의 비교

특성	동적 배열	정적 배열
크기 조정	자동으로 크기 조정 (늘림/줄임)	고정 크기
메모리 사용	필요할 때만 메모리 재할당(비효율적일 수 있음)	메모리 사용이 예측 가능하고 효율적
액세스 속도	빠른 데이터 액세스(O(1))	빠른 데이터 액세스(O(1))
사용 용도	크기가 자주 변경되는 데이터를 저장할 때 적합	크기가 고정된 데이터를 저장할 때 적합
메모리 할당 시점	실행 중에 크기가 조정되면서 동적 할당	초기 선언 시 정적 할당

 

결론

동적 배열은 유연성과 크기 조정 능력을 제공하기 때문에 자바의 ArrayList와 같은 데이터 구조에서 널리 사용된다. 반면, 정적 배열은 메모리 사용이 예측 가능하고 효율적이지만 유연성이 떨어진다. 각 배열 유형의 장단점을 고려하여 특정 상황에 맞는 배열을 선택하는 것이 중요하다.