[C++] The C++ Programming Language: 2. A Tour of C++: The Basics (1)
2. A Tour of C++: The Basics
2.1 Introduction
이 챕터와 다음 세 챕터의 목표는, 잠시 세부사항은 접어두고 C++가 진정 무엇인지 여러분들에게 소개하는 것입니다. C++의 메모리와 컴퓨팅, 프로그램에 코드를 구성하는 기초 메커니즘 등에 대한 모델 및 C++의 표기법 등을 이야기할 것입니다. C++는 절차지향 프로그래밍이라고도 불리는 C에서 볼 수 있는 많은 스타일들을 제공합니다. 챕터 3은 C++의 추상화 메커니즘을, 챕터 4와 챕터 5는 표준 라이브러리 기능을 소개할 것입니다.
전제는 여러분들이 프로그래밍을 이미 해봤어야 한다는 것입니다. 만약 그렇지 않다면, 다른 책인 Programming: Principles and Practice Using C++ [Stroustrup, 2009]을 먼저 읽어보시길 권합니다. 여러분들이 이전에 프로그래밍을 해봤더라도, 여러분들이 사용했던 언어는 아마 C++가 제공하는 것과 꽤 다를 것입니다. 앞으로 펼쳐질 "초고속 투어"가 조금 혼란스럽다면, 좀 더 자세한 내용을 다루는 챕터6으로 건너 뛰도록 하세요.
이 C++ 투어는 초기에도 여러분들이 풍부한 기능들을 사용할 수 있도록 만들어줌으로써, 엄격한 상향식(bottom-up) 언어 설명으로부터 구제해줍니다. 예를 들어, 반복문은 챕터 10까지 이야기하지 않습니다. 비슷하게 클래스, 템플릿, 자유 공간(free-store, 힙) 사용, 표준 라이브러리 등에 대한 서술은 많은 챕터들에 퍼져 있습니다. 하지만 표준 라이브러리 자료형인 vector, string, complex, map, unique_ptr, ostream 등은 코드 예제를 강화하기 위해 어디든지 필요하면 쓰일 것입니다.
비유적으로, 뉴욕이나 코펜하겐과 같은 도시로 관광을 떠난다고 생각해보죠. 몇 시간 동안, 여러분들은 관광 명소들을 둘러보고, 그 역사들을 듣고, 다음에 무얼 볼지에 대한 이야기들을 듣죠. 허나 여러분들은 여전히 그 도시를 완전히 알 수 없습니다. 보고 들은 것도 완전히 이해할 리 없죠. 진짜 도시를 이해하는 방법은, 그곳에 몇 년 동안 거주해보는 것입니다. 하지만 운이 좋다면, 약간의 개요와 도시의 특별한 점에 대한 개념 및 관심을 가질만한 아이디어들을 얻을 수 있습니다. 이 투어가 끝나면, 진짜 탐험이 시작되는 것이죠.
이 투어는 C++을 통합된 전체로서 설명합니다. 구역을 나누지 않죠. 따라서, 우리는 C, C++98, C++11 등의 언어 기능들에 대해 식별하지 않을 것입니다.
2.2 The Basics
C++는 컴파일 언어입니다. 프로그램이 실행되려면, 소스 텍스트는 컴파일러에 의해 처리되고, 목적 파일을 생성하고, 링커에 의해 조합되어 실행 가능한 프로그램이 되죠. C++ 프로그램은 보통 수많은 소스 코드 파일들로 구성됩니다.
실행 가능한 프로그램은 특정한 하드웨어/시스템의 조합에 대해 생성됩니다. 따라서 맥 환경의 프로그램을 윈도우 환경에 이식할 수 없다는 의미입니다. C++ 프로그램의 호환성에 대해서 이야기할 때는 보통 소스 코드의 호환성을 이야기하는 것입니다. 소스 코드는 다양한 시스템에서 성공적으로 컴파일되고 실행될 수 있습니다.
ISO C++ 표준은 두 종류의 개체로 정의합니다.
- Core language features: 빌트인 타입(char, int 등)과 반복문(for문과 while문)
- Standard-library components: 컨테이너(vector, map 등)과 입출력 연산(<<와 getline() 등)
표준 라이브러리 컴포넌트는 모든 C++ 구현에서 제공되는 완전히 일반적인 C++ 코드입니다. 즉, C++ 표준 라이브러리는 C++ 스스로 구현될 수 있습니다.(아주 가끔, 스레드 컨텍스트 스위칭 등을 위한 기계 코드가 사용되긴 합니다) 곧 C++는 가장 까다로운 시스템 프로그래밍 작업에서도 충분히 표현력 있고 효율적이라는 것을 의미합니다.
C++는 정적 타입 언어입니다. 즉, 모든 개체(객체, 값, 이름, 수식 등)의 자료형은 반드시 이것의 사용 시점에 컴파일러가 알아야만 합니다. 객체의 자료형은 그것에 적합한 연산의 집합을 결정합니다.
2.2.1 Hello, World!
2.2.2 Types, Variables, and Arithmetic
(생략)
2.2.3 Constants
C++은 불변성(immutability)에 대해 두 가지 표기법을 지원합니다.
- const: 쉽게 말해 "이 값을 변경하지 않겠다고 약속"하는 것입니다. 이는 인터페이스를 명세하기 위해 주로 사용되며, 함수에서 전달된 데이터가 변경될 두려움 없이 사용할 수 있게 만들어줍니다.
- constexpr: 쉽게 말해 "컴파일 시기에 결정"되어야 하는 것입니다. 이는 상수를 명세할 때 주로 사용되며, 성능을 위해 손상될 가능성이 없는 메모리에 이를 배치할 수 있도록 해줍니다.
다음을 참고하세요.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 | const int dmv = 17; // dmv is a named constant int var = 17; // var is not a constant constexpr double max1 = 1.4∗square(dmv); // OK if square(17) is a constant expression constexpr double max2 = 1.4∗square(var); // error : var is not a constant expression const double max3 = 1.4∗square(var); //OK, may be evaluated at run time double sum(const vector<double>&); // sum will not modify its argument (§2.2.5) vector<double> v {1.2, 3.4, 4.5}; // v is not a constant const double s1 = sum(v); // OK: evaluated at run time constexpr double s2 = sum(v); // error : sum(v) not constant expression | cs |
함수에도 역시 적용 가능합니다. 이 때의 수식은 컴파일러에 의해 결정될 것입니다. 반드시 constexpr로 정의되어야 하죠. 다음을 참고하세요.
1 | constexpr double square(double x) { return x∗x; } | cs |
constexpr을 사용하려면 간단한 함수여야 합니다: 값을 계산하는 return문일 뿐이기 때문이죠. constexpr 함수는 non-constant 인자와 함께 쓰일 수도 있습니다. 하지만 이 경우에는 반환 결과가 constant expression이 아닙니다.
2.2.4 Tests and Loops
2.2.5 Pointers, Arrays, and Loops
(생략)
2.3 User-Defined Types
C++의 다양한 자료형들은 직접적이고 효율적으로 일반적인 컴퓨터 하드웨어의 역량을 반영합니다. 하지만 고급 응용프로그램을 편리하게 작성하기 위한 높은 수준의 기능들은 프로그래머들에게 제공되지 않죠. 대신, 자료형을 추상화할 수 있는 수단을 제공합니다. 사용자 정의 자료형이죠.
2.3.1 Structures
2.3.2 Classes
2.3.3 Enumerations
(생략)
2.4 Modularity
C++ 프로그램은 수많은 부분들로 이루어져 있습니다. 가령 함수, 사용자 정의 자료형, 클래스 계층, 템플릿 등이죠. 이러한 것들을 관리하는 열쇠는 이 사이의 상호작용을 명확하게 정의하는 것입니다. 인터페이스 부분과 구현 부분을 분리하는 것은 이러한 것의 첫걸음이자 가장 중요한 단계입니다. 언어 수준에서 C++는 인터페이스를 선언으로 표현할 수 있습니다. 선언(declaration)은 함수나 자료형을 사용하기 위해 필요한 모든 것들을 명세합니다. 다음을 참고하세요.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 | double sqrt(double); // the square root function takes a double and returns a double class Vector { public: Vector(int s); double& operator[](int i); int size(); private: double∗ elem; // elem points to an array of sz doubles int sz; }; | cs |
여기서 핵심은 바로 함수의 바디입니다. 함수의 정의가 "다른 곳"에 있다는 것이죠. 이 예제에서, Vector 역시 "다른 곳"에 정의되게 만들 수 있지만, 이는 다음에 다뤄보도록 하죠. sqrt()의 정의는 아마 다음과 같을 것입니다:
1 2 3 4 | double sqrt(double d) // definition of sqrt() { // ... algorithm as found in math textbook ... } | cs |
Vector의 경우, 역시 다음과 같은 멤버 함수들을 정의해야겠네요.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 | Vector::Vector(int s) // definition of the constructor :elem{new double[s]}, sz{s} // initialize members { } double& Vector::operator[](int i) // definition of subscripting { return elem[i]; } int Vector::siz e() // definition of size() { return sz; } | cs |
우리는 반드시 Vector의 함수를 정의해야 하지만, sqrt()는 그렇지 않습니다. 표준 라이브러리의 일부이기 때문이죠. 그러나 이는 완전히 동일합니다: 어쨌거나 라이브러리(의 구현)도 역시 "다른 코드"에 적혀있을 것이기 때문이죠.
2.4.1 Separate Compilation
C++는 유저 코드가 오로지 선언과 함수의 사용만을 볼 수 있도록 별도로 컴파일하는 개념을 지원합니다. 이러한 자료형과 함수의 정의는 분리된 소스 파일에 존재하게 되며, 각각 컴파일되죠. 곧 프로그램을 반독립(semi-independent)적인 코드 조각의 집합으로 구성할 수 있게 만들어줍니다. 이는 컴파일 시간을 최소화하고 논리적으로 구분되어야 하는 부분들을 엄격하게 구분해주죠.
보통 우리는 모듈의 인터페이스를 명세를 그것의 사용 목적에 알맞는 이름으로 된 파일에 선언합니다.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 | class Vector { public: Vector(int s); double& operator[](int i); int size(); private: double∗ elem; // elem points to an array of sz doubles int sz; }; | cs |
이는 Vector.h라는 파일에 선언되며, 사용자들은 해당 파일을 include하여 헤더 파일(header file)을 호출하며, 인터페이스에 접근합니다. 다음을 참고하세요.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 | // user.cpp: #include "Vector.h" // get Vector’s interface #include <cmath> // get the the standard-librar y math function interface including sqrt() using namespace std; // make std members visible (§2.4.2) double sqrt_sum(Vector& v) { double sum = 0; for (int i=0; i!=v.siz e(); ++i) sum+=sqrt(v[i]); // sum of square roots return sum; } | cs |
컴파일러가 일관성을 보장하도록 만들기 위해, .cpp 파일은 Vector의 구현을 제공하며 이 역시 .h 파일을 include하여 해당 인터페이스를 제공합니다.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 | // Vector.cpp Vector::Vector(int s) // definition of the constructor :elem{new double[s]}, sz{s} // initialize members { } double& Vector::operator[](int i) // definition of subscripting { return elem[i]; } int Vector::siz e() // definition of size() { return sz; } | cs |
user.cpp와 Vector.cpp의 코드는 Vector.h에 표현된 Vector의 인터페이스를 공유합니다. 하지만 두 파일은 완전히 독립적이며 따로따로 컴파일되죠. 시각적으로는 다음처럼 표현할 수 있습니다.
엄격히 따지자면, 분리된 컴파일을 사용하는 것은 언어의 문제는 아닙니다. 특정 언어 구현의 이점을 어떻게 최대한 활용할 수 있느냐의 문제죠. 그러나 이는 실용적으로 매우 중요합니다. 최고의 접근 방법은 모듈화를 최대화하고, 언어 기능들을 통해 모듈화를 논리적으로 표현하고, 파일들을 통해 물리적으로 모듈화를 이용해 분리된 컴파일을 실현하는 것이죠.
2.4.2 Namespaces
(생략)
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