2. Arrays
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이 글은 CS50 x 2020의 weeks 2 강의내용을 복습하기 위해 강의 노트를 기반으로 작성한 글입니다.
내용을 이해하기 위한 개인적인 설명이나 해석이 있을 수 있기 때문에 되도록 원문을 참고해주시길 바랍니다. 잘못된 부분이 있다면 댓글이나 그 외 편하신 방법으로 알려주시면 감사하겠습니다.
Compiling
앞의 강의에서 C언어로 작성한 소스 코드(source code)를 컴퓨터가 실행시키기 위해서는 이진법의 기계어(machine code)로 컴파일(compile) 을해야 한다고 배웠다.
소스 코드를 기계어로 컴파일하는 과정은 몇 단계로 나뉜다.
- 전처리(preprocessing)
- 컴파일(compiling)
- 어셈블(assembling)
- 링크(linking)
Preprocessing
전처리(preprocessing)는 #include처럼 #으로 시작하는 줄과 관련 있다.
예를 들어, #include <cs50.h>는 clang에게 우선 우리의 프로그램에서 사용할 콘텐츠를 포함하고 있는 헤더 파일(header file)을 찾으라고 명령한다. 그러면 clang이 헤더 파일의 콘텐츠를 프로그램으로 가져온다.
// Before preprocessing
#include <cs50.h>
#include <stdio.h>
int main(void)
{
string name = get_string("Name: ");
printf("hello, %s\n", name);
}
// After preprocessing
// cs50.h로부터 가져옴
string get_string(string prompt);
// stdio.h로부터 가져옴
int printf(const char *format, ...);
int main(void)
{
string name = get_string("Name: ");
printf("hello, %s\n", name)
}
Compiling
C로 작성한 소스 코드를 어셈블리 코드(assembly code)로 변환한다.
...
main: # @main
.cfi_startproc
# BB#0:
pushq %rbp
.Ltmp0:
.cfi_def_cfa_offset 16
.Ltmp1:
.cfi_offset %rbp, -16
movq %rsp, %rbp
.Ltmp2:
.cfi_def_cfa_register %rbp
subq $16, %rsp
xorl %eax, %eax
movl %eax, %edi
movabsq $.L.str, %rsi
movb $0, %al
callq get_string
movabsq $.L.str.1, %rdi
movq %rax, -8(%rbp)
movq -8(%rbp), %rsi
movb $0, %al
callq printf
...
-
이 명령들은 소스 코드보다 낮은 레벨(lower-level)의 언어로 컴퓨터의 CPU가 바로 이해할 수 있는 바이너리 명령(binary instruction)에 가깝다.
-
변수 이름을 이용해 추상화한 것(i.e. 소스 코드)과 다르게 바이트(bytes) 자체로 작동한다.
Assembling
어셈블리 코드로 된 명령을 바이너리로 변환한다. 바이너리로 된 명령을 기계어라고 하고 이는 CPU가 직접 실행할 수 있다.
Linking
미리 컴파일해놓은 라이브러리의 콘텐츠를 현재 프로그램의 기계어에 연결한다.
예를 들어 현재 프로그램인 hello.c의 기계어에 미리 컴파일해놓은 cs50.c와 printf.c의 기계어를 연결해 하나의 실행 파일(a.out이나 hello)로 만드는 작업이다.
Debugging
버그(bugs)는 제작자가 의도하지 않는 프로그램 에러이다. 이를 찾고 수정하는 과정을 디버깅(debugging)이라고 한다.
help50 and printf
디버깅을 하기 위해서는 에러 메시지를 참고하거나 디버거(debugger)를 이용한다. CS50 Sandbox나 CS50 IDE는 이와 관련된 몇 가지 기능을 제공한다.
help50
help50: 컴파일할 때 make나 clang 등의 명령 줄(command-line) 앞에 적으면 터미널에 뜬 에러 메시지를 해석하는 것을 도와준다.
다음과 같이 buggy0.c를 작성해보자.
/* buggy0.c */
int main(void)
{
printf("hello, world\n")
}
-
위 프로그램을
make로 컴파일하려고 하면 붉은 글씨로implicitly declaring library function 'printf'라는 에러 메시지가 나타난다. -
에러 메시지를 이해하기 어려울 때,
help50 make buggy0를 실행하면 실행 결과 마지막에printf를 포함하는#include <stdio.h>를 적지 않았다는 것을 알려준다.
다시, 다음과 같이 buggy1.c를 작성해보자.
/* buggy1.c */
#include <stdio.h>
int main(void)
{
string name = get_string("What's your name?\n");
printf("hello, world\n")
}
-
buggy1.c를 컴파일하려고 시도하면 다시 많은 에러가 발생하고 첫 에러조차 파악하는 것이 어렵다. -
그러므로
help50 make buggy1을 실행시키면string이 정의되어있지 않기 때문에cs50.h가 필요하다는 것을 알려준다.
터미널 창을 깨끗하게 지우기 위해서는
ctrl + L을 누르거나 터미널 창에clear를 입력하면 된다.
Printf
printf등으로 중간 과정을 출력해 error를 찾을 수도 있다. 주로 logical한 error를 찾는 데 이용한다.
/* buggy2.c */
#include <stdio.h>
int main(void)
{
for (int i = 0; i <= 10; i++)
{
printf("#\n");
}
}
-
#을 10번 출력하려고 작성한 위의 프로그램은 실제로#을 11번 출력한다. -
이처럼 프로그램에 ’논리적인 오류(logical error)’가 있을 때는 프로그램은 에러 없이 컴파일되기 때문에 문제의 원인을 파악하기 어렵다.
-
이럴 때는 문제를 파악하는 데 도움이 될 출력 코드(print line)를 추가해볼 수 있다.
#include <stdio.h>
int main(void)
{
for (int i = 0; i <= 10; i++)
{
// print i to check current i
print("i is now %i", i);
printf("#\n");
}
}
-
프로그램을 실행하면
i가 0에서 시작해서 10이 될 때까지 출력을 반복하기 때문에#이 총 11번 출력된다. -
이를 해결하기 위해서는
i가 10이 되기 전에 멈춰야 하기 때문에i <= 10대신i < 10을 사용해야 한다.
debug50
지금부터는 CS50 Sandbox와 유사하지만, 더 많은 기능을 갖는 CS50 IDE를 사용해보자. CS50 IDE는 코드 편집기(code editor)와 터미널을 창뿐만 아니라 디버깅과 협업을 위한 도구까지 있는 온라인 개발 환경이다.
CS50 IDE는 debug50라는 디버거를 지원한다. debug50를 이용하면 위에서 printf를 통해 파악했던 i의 상태를 프로그램과 상호작용하면서 확인할 수 있다.
- 우선 프로그램 실행을 멈추고 디버깅을 시작할 중단점(breakpoint) 을 정한다. 원하는 line의 숫자 왼편을 클릭해서 설정할 수 있고, 설정하면 빨간 원이 나타난다.
- 예를 들어 5번째 줄에 중단점을 찍으면 다음과 같이 나타난다.
- 이후에
debug50 ./buggy2로 실행하면 디버거 창(panel) 오른쪽에 표시된다.
- 디버거 창을 보면
Local Variables아래i가 있고 현재 그 값이0이라는 것이 보인다. - 디버거 창에는 몇 가지 조절 버튼이 존재한다.
- 파란 삼각형은 다음 중단점이나 프로그램의 끝까지 프로그램을 실행한다.
- 오른쪽으로 굽은 화살표는 다음 줄로 넘어가서 코드를 실행한 뒤 다시 멈춘다.
- 굽은 화살표 버튼을 누르면
printf가 있는 줄에 도달하고 한 번 더 누르면 터미널 창에#이 출력된다. 다시 버튼을 누르면 오른쪽의i가1로 증가한다. - 이런 식으로 프로그램을 한 줄씩 순차적으로 실행하면서 오류를 찾을 수 있다.
control + C를 누르면 디버거가 종료된다.
check50 and style50
check50를 이용하면 CS50에서 정해놓은 가이드라인에 따라 프로그램을 테스트한다.
check50 cs50/problems/hello를 입력하면check50가cs50/problems/hello인자를 받아서 해당 파일을 업로드 한 뒤 CS50 서버의 프로그램을 이용해 실행하고 시험한다.- 실제 개발자들도 자신만의 테스트 코드를 작성해서 코드가 제대로 동작하는지 시험한다.
style50는 코드가 미적으로 (코드 가독성과 유지보수와 관련) 괜찮은지 판단하는 프로그램이다.
- 예를 들어 필요 없는 공백이 있거나 들여쓰기가 안 되어 있는 경우 이를 표시한다.
- Style guide에 판단 기준이 소개되어있다.
간단하게는 고무 오리(rubber duck) 디버깅을 사용할 수도 있다. 고무 오리 디버깅은 우리가 하려는 것을 고무 오리에게 설명하면서 우리가 하려는 것과 고쳐야 할 것을 깨닫는 방법이다.
우리는 문제를 맞게 해결하는 것뿐만 아니라 좋은 디자인의 코드를 작성해야 한다. 좋은 디자인이란 시간, 비용, 메모리(memory) 사이의 트레이드 오프(tradeoff)를 합리적으로 고려해서 우리 프로그램이 돌아가는 방식을 결정하는 것을 말한다.
Data Types
C에는 다양한 종류(types)의 데이터를 저장하기 위한 변수가 있다.
| type | size |
|---|---|
bool |
1 byte |
char |
1 byte |
int |
4 byte |
float |
4 byte |
long |
8 byte |
double |
8 byte |
string |
? byte |
각 데이터 타입은 특정한 크기의 바이트(bytes)를 갖는다. CS50 Sandbox, IDE를 포함한 대부분의 컴퓨터에서 C언어의 타입들은 위와 값은 타입 크기를 갖는다.
Memory
우리가 사용하는 컴퓨터 안에는 단시간 사용할 데이터를 저장하는 RAM(Random-Access Memory)이 존재한다. 일반적으로 프로그램은 하드 드라이브(Hard drive)(혹은 SSD)에 장 시간동안 저장되지만, 그 프로그램을 열어서 사용할 때는 RAM에 옮긴 뒤 사용한다. RAM은 더 작고 일시적이지만(temporary, 전원이 꺼질 때까지만 유효함) 훨씬 빠르다.
데이터를 저장할 수 있는 RAM의 공간을 바이트가 연속된 격자(grid) 형태로 존재하는 것으로 생각할 수 있다.
- 실제로는 하나의 칩에 수백만 혹은 수십억 정도의 매우 많은 바이트가 존재한다.
C언어에서 char 타입인 변수를 하나 생성하여 저장하면 위 그림의 박스 중 한 개를 차지하는 것으로 볼 수 있다. integer의 경우 4 bytes이므로 네 개를 차지한다. 그리고 각 박스에는 특정한 숫자나 주소가 지정(label)되어있다.
Arrays
예를 들어 다음과 같이 세 개의 변수를 저장해보자.
#include <stdio.h>
int main(void)
{
// single quote for a literal character
char c1 = 'H';
char c1 = 'I';
char c1 = '!';
// double quote for multiple characters together
printf("%i %c %c\n", c1, c2, c3)
}
-
각 문자가 문자 리터럴(literal character)인 것을 나타내기 위해 작은따옴표를 사용해야 한다.
-
컴파일한 결과는
H I !로 나타난다. -
문자(character)는 실제로 숫자이므로
printf("%i %i %i\n", c1, c2, c3)로 출력하면72 73 33이 출력된다.- 명백하게는 각 문자를
(int) c1처럼 변환(cast)해서 출력해야 하지만 이 경우 컴파일러가 자체적으로 처리한다.
- 명백하게는 각 문자를
이는 메모리 안의 박스 중 세 개를 각각 c1, c2, c3로 표시해서 차지하고 있는 것과 같다. 각 박스는 크기가 1바이트이며 그 안에는 변수의 값을 바이너리의 형태로 저장하고 있다.
scores0.c를 살펴보자. scores0.c는 데이터 타입이 int인 변수를 이용해서 세 숫자의 평균을 구하는 프로그램이다.
#include <stdio.h>
int main(void)
{
// Scores
int score1 = 72;
int score2 = 73;
int score3 = 33;
// Print average
printf("Average: %i\n", (score1 + score2 + score3) / 3);
}
- 이를 위해서는 점수(score)마다 일일이 변수를 만들어줘야 하는데 이 경우 변수들을 나중에 사용하기 번거롭다.
C에서는 변수를 더 쉽게 사용할 수 있도록 각 변수를 서로의 바로 다음에(back-to-back) 저장할 수 있다. 이처럼 연속적으로 덩어리져있는 변수들의 목록을 배열(array) 라고 한다.
예를 들어 우리는 3개의 정수로 이루어진 배열을 int scores[3];와 같이 선언할 수 있다. 다음과 같이 변수를 배열로 선언하고 사용한다.
#include <cs50.h>
#include <stdio.h>
int main(void)
{
// scores
// declare array of 3 integers
int scores[3];
scores[0] = 72;
scores[1] = 73;
scores[2] = 33;
// Print average
printf("Average: %i\n", (scores[0] + scores[1] + scores[2]) / 3);
}
- 배열은 zero-indexed이다. 이는 첫 번째 원소(element)의 인덱스가 0으로 시작함을 의미한다.
이제 코드를 정리해보자.
위에서 배열의 길이인 3이 반복되어 사용된다. 이 값이 항상 동일한 값을 유지할 수 있도록 상수(constant, fixed value)를 사용해서 수정한다.
#include <cs50.h>
#include <stdio.h>
// Set N as 3 (한 번 값을 지정하면 프로그램 내에서 바뀌지 않음)
const int N = 3;
int main(void)
{
// scores
int scores[N]; // use N
scores[0] = 72;
scores[1] = 73;
scores[2] = 33;
// Print average
printf("Average: %i\n", (scores[0] + scores[1] + scores[2]) / N); // use N
}
-
사용한
const키워드는 컴파일러에N이 값이 프로그램 안에서 절대 바뀌지 않는다는 것을 알려준다. -
일반적으로 상수 선언은
main함수 밖에서 하고 변수명은 대문자로 작성한다. 컴파일하기 위해 필수적이지는 않지만 다른 사람들이 잘 파악할 수 있도록 해준다.
배열에서는 반복문(loop)을 이용해서 점수를 더하거나 이후에 점수에 다시 접근하는 것을 더 쉽게 할 수 있다.
#include <cs50.h>
#include <stdio.h>
// average 함수 선언
float average(int length, int array[]);
int main(void)
{
// 입력받을 score의 개수 입력
int n = get_int("Scores: ");
// n개의 score를 받을 array 선언
int scores[n];
// score 입력
for (int i = 0; i < n; i++)
{
scores[i] = get_int("Score %i: ", i + 1);
}
// Average 출력 (%.1f: 소수점 한 자리 까지)
printf("Average: %.1f\n", average(n, scores));
}
// length: score 개수, array: score를 담고있는 array
float average(int length, int array[])
{
int sum = 0;
// sum에 length개의 array 항목을 모두 더함
for (int i = 0; i < length; i++)
{
sum += array[i];
}
// sum을 length로 나눔
// 나눈 결과가 정수가 아닐 수 있으므로 모두 float형으로 바꿔서 계산
return (float) sum / (float) length;
}
메모리에서 위의 배열은 각 점숫값이 int형이므로 다음의 그림과 같이 네 칸(four bytes)을 차지한다.
Strings
문자열(string)은 실제로는 문자로 이루어진 배열이다.
- 문자열
s가 있다면 문자열의 각 문자는s[0],s[1]과 같은 방식으로 접근할 수 있다. - 문자열은 특별한 문자인
\0으로 끝난다.- 이는 모든 비트가 0인 문자로 ‘널 문자(null character)’ 혹은 ’널 종결 문자(null terminating character)’라고 불린다.
- 즉 실제로 “Hi!“를 표현하기 위해서는 4 bytes가 필요하다.
네 개의 문자열로 이루어진 배열은 어떻게 이루어져있는지 보자.
string names[4];
names[0] = "EMMA";
names[1] = "RODRIGO";
names[2] = "BRIAN";
names[3] = "DAVID";
// names의 첫 번째 값을 string(%s)으로 출력
printf("%s\n", names[0]);
// 첫 이름의 각 character를 다시 []를 사용해서 출력
//(names[0])[0]처럼 생각할 수 있다
printf("%c%c%c%c\n", names[0][0], names[0][1], names[0][2], names[0][3]);
-
문자열은 널문자에 도달할 때까지 문자열의 각 문자를
printf로 반복해서 출력한다. -
첫 이름은 네 글자이므로 실제로
names[0][4]를int형으로 출력하면0이 나타난다.
이 배열의 각 문자는 메모리에 다음과 같이 저장되어있다.
이를 다음의 코드(string0.c)로 실험해볼 수 있다.
/* string0.c */
#include <cs50.h>
#include <stdio.h>
// strlen을 사용하기 위한 library
#include <string.h>
int main(void)
{
string s = get_string("Input: ");
printf("Output: ");
// strlen(s): string s의 길이 (문자수)
// string의 각 문자를 순차적으로 하나씩 출력
for (int i = 0; i < strlen(s); i++)
{
printf("%c", s[i]);
}
printf("\n");
}
s[i] != '\0'을 조건으로 사용해도 된다. 널 문자가 나올 때까지 출력한다.
string0의 디자인을 발전시켜보자. string0는 문자열의 길이를 각 문자가 출력된 이후에 매번 확인한다는 점이 조금 비효율적이다. 문자열의 길이는 바뀌지 않기 때문에 다음과 같이 한 번만 체크해도 된다.
#include <cs50.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
int main(void)
{
string s = get_string("Input: ");
printf("Output:\n");
// 반복문 실행의 처음에 변수 i와 n을 정의
// n에 문자열의 길이를 저장
for (int i = 0, n = strlen(s); i < n; i++)
{
printf("%c\n", s[i]);
}
}
- 위의 코드는
n을 위한 저장공간을 더 필요로하지만, 매번 문자열의 길이를 확인하지 않아도 된다는 장점이 있다.
이제 배운 것을 이용해서 단어를 대문자로 바꾸는(capitalize) 프로그램을 작성해보자.
#include <cs50.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
int main(void)
{
string s = get_string("Before: ");
printf("After: ");
// string s의 모든 문자를 순차적으로 대문자로 변경
for (int i = 0, n = strlen(s); i < n; i++)
{
// s[i]가 소문자인 경우 ('a'~'z' 사이에 있는 경우)
if (s[i] >= 'a' && s[i] <= 'z')
{
// s[i]에서 32를 뺀 값을 출력
// ASCII 에서 동일한 문자의 대문자, 소문자의 차이는 32이다
printf("%c", s[i] - 32);
}
else
{
printf("%c", s[i]);
}
}
printf("\n");
}
라이브러리를 이용하면 이를 훨씬 간단하게 작성할 수 있다. man pages에 다양한 라이브러리 함수가 제공되어있다.
#include <cs50.h>
// toupper를 사용하기 위한 library
#include <ctype.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
int main(void)
{
string s = get_string("Before: ");
printf("After: ");
for (int i = 0, n = strlen(s); i < n; i++)
{
// toupper(s[i]): s[i]를 대문자로 변경
printf("%c", toupper(s[i]));
}
printf("\n");
}
Command-line arguments
make나 clang 같은 프로그램은 명령 줄(command-line)에서 명령어 뒤에 단어를 추가로 입력한다. (e.g., file을 컴파일하기 위해서 make 'file'을 입력)
우리가 직접 만든 프로그램도 명령 줄에 입력한 단어를 명령 줄 인수(command-line argument) 로 사용할 수 있다.
argv.c에서는 main 함수를 다음과 같이 바꿨다.
// hello.c를 다음과 같이 작성한 뒤 terminal에 './hello name'을 입력하여 실행
// name에는 출력하고 싶은 아무 문자열이나 쓰면 된다
#include <cs50.h>
#include <stdio.h>
// `main` function이 `argc`, `argv` 두 인수를 받음
int main(int argc, string argv[])
{
// argument의 개수가 2개가 아닌 경우 (./hello와 name)
if (argc == 2)
{
// command-line argument를 입력하지 않았다는 안내를 출력
printf("hello, %s\n", argv[1]);
}
else
{
// argv[1]인 name을 이용하여 'hello, name' 출력
printf("hello, world\n");
}
}
-
argc: argument count, 입력된 인자(argument)의 수 -
argv: 입력된 인자를 담고 있는 문자열 배열 -
첫 인자
argv[0]은 실행시키는 프로그램의 이름이다. (e.g./hello)
프로그램의 에러를 나타내기 위해 main 함수에서 특정 값을 반환할 수 있다. (main 함수 앞에 int를 적는 이유)
- 일반적으로 정상적으로 프로그램을 마쳤을 때는
0을 - 에러가 발생했을 때는 그 외의 수를 반환한다.
#include <cs50.h>
#include <stdio.h>
int main(int argc, string argv[])
{
if (argc != 2)
{
printf("missing command-line argument\n");
// 문제 발생을 알리기 위해 1을 return하고 종료.
return 1;
}
printf("hello, %s\n", argv[1]);
// 문제 없음을 알리기 위해 0을 return하고 종료.
return 0;
}
-
프로그램
main함수의 반환 값은 종료 코드(exit code)라고 한다. -
사용자에게 보이거나 유용하지는 않아도 에러 코드는 복잡한 프로그램에서 어떤 점이 잘못됐는지 파악하는데 도움이 된다.
Readability
과제에 연관된 내용이므로 생략합니다.
Encryption
과제에 연관된 내용이므로 생략합니다.
-
draft