LearnCPP - 4

자료형 (Data types)

• 컴퓨터에 있는 모든 데이터는 결국 단순히 '비트의 나열(0과 1의 연속)'일 뿐이에요. 그래서 우리는 컴파일러에게 이 메모리의 내용을 어떻게 의미 있게 해석해야 하는지 알려주기 위해 자료형(data type), 줄여서 타입(type)을 사용합니다.

• 여러분이 어떤 객체(변수)에 값을 주면, 컴파일러와 CPU는 그 자료형에 맞는 적절한 비트 순서로 값을 인코딩(encoding, 변환)해서 메모리에 저장합니다. (기억하세요: 메모리는 오직 비트만 저장할 수 있어요!)

• 예를 들어, 만약 정수형 객체에 65라는 값을 할당한다면, 이 값은 0100 0001이라는 비트 순서로 변환되어 해당 객체에 할당된 메모리에 저장됩니다.

• 반대로, 그 객체를 사용하여 값을 불러올때는, 저장되어 있던 비트 순서가 다시 원래의 값으로 재구성(reconstituted)됩니다.
• 즉, 0100 0001이 다시 값 65로 변환되는 것이죠.

• 다행히도, 이런 복잡한 작업은 컴파일러와 CPU가 모두 알아서 처리해 줍니다.
• 그래서 여러분은 값이 어떻게 비트 순서로 변환되고 다시 돌아오는지에 대해 깊게 고민할 필요가 없어요.

다양한 종류의 자료형 (Other sets of types)

• C++에는 세 가지 종류의 자료형이 있습니다.

기본 자료형(fundamental data types)

• 가장 기초적이고 필수적인 자료형을 제공합니다.

int, double, char, bool…

복합 자료형(compound data types)

• 기본 자료형을 조합해서 만들거나, “형태”가 더 복잡한 타입들 입니다.

int*, int&, struct Point, enum Color…

C++ 표준 라이브러리 자료형(C++ standard library)

• 표준 라이브러리는 모든 C++ 배포판에 포함되어 있으므로, 이 타입들은 광범위하게 사용 가능하며 호환성을 위해 표준화되어 있습니다.
• 표준 라이브러리의 타입을 사용하려면 적절한 헤더를 포함(include)하고 표준 라이브러리를 링크해야 합니다.

std::string, std::vector<int>, std::map<...>, std::unique_ptr<...>…

기본 자료형 (Fundamental data types)

• C++ 언어는 사용자가 바로 사용할 수 있는 많은 미리 정의된 자료형을 제공합니다.
• 이 중 가장 기본적인 것들을 기본 자료형이라고 합니다.
• 비공식적으로는 기초 타입(basic types) 또는 원시 타입(primitive types) 이라고도 부릅니다).

Types	Category	Meaning	Example
float double long double	Floating Point	a number with a fractional part	3.14159
bool	Integral (Boolean)	true or false	true
char wchar_t char8_t (C++20) char16_t (C++11) char32_t (C++11)	Integral (Character)	a single character of text	'c'
short int int long int long long int (C++11)	Integral (Integer)	positive and negative whole numbers, including 0	64
std::nullptr_t (C++11)	Null Pointer	a null pointer	nullptr
void	Void	no type	n/a

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정수(Integer) vs 정수형(Integral) 타입

• 표준 정수 타입 short int long long long
• 정수형 타입 bool 다양한 char 타입들 표준 정수 타입
• 모든 정수형 타입은 메모리에 정수 값으로 저장되지만, 출력 시 표준 정수 타입만이 정수 값(숫자)으로 표시됩니다.

• 또한 정수형 타입이라는 용어는 오직 기본 자료형만을 포함한다는 점에 유의하세요.
• 이는 enum이나 enum class 같은 비(非)기본 자료형은 정수형 타입이 아니라는 것을 의미합니다.
• 비록 정수로 저장되고, enum의 경우 정수로 출력되더라도 말이죠.

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_t 접미사 (The _t suffix)

• std::nullptr_t 같이 새로운 버전의 C++에서 정의된 많은 타입들은 _t 접미사를 사용합니다.
• 이 접미사는 타입(type)을 의미하며, 현대적인 타입들에 적용되는 일반적인 명칭법입니다.
• 만약 _t가 붙은 무언가를 본다면, 그것은 아마도 타입일 것입니다.
• 하지만 많은 타입들이 _t 접미사를 가지고 있지 않으므로, 이것이 일관되게 적용되는 규칙은 아닙니다.

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보이드 (Void)

• 기본적으로 void는 타입 없음(no type)을 의미합니다.
• 보이드는 불완전한 타입의 첫 번째 예시입니다.
• 불완전한 타입이란 선언은 되었으나 아직 정의되지 않은 타입을 말합니다.
• 불완전한 타입은 인스턴스화(instantiated)할 수 없습니다.

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객체 크기 (Object sizes)

• 최신 컴퓨터의 메모리는 보통 바이트(byte) 단위로 구성됩니다.
• 각 메모리 바이트는 고유한 주소(address)를 가지고 있습니다.
• 객체가 사용하는 메모리의 양은 해당 객체의 자료형(data type)에 따라 결정됩니다.

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기본 자료형 크기 (Fundamental data type sizes)

• 놀랍게도 C++ 표준은 기본 자료형의 정확한 크기(비트 단위)를 정의하지 않습니다.
• 자료형의 크기를 말할 때는, 실제로는 해당 자료형으로 인스턴스화된(instantiated) 객체의 크기를 의미합니다.

• 대신 표준은 다음과 같이 명시합니다.
  • 객체는 최소 1바이트를 차지해야 합니다 (각 객체가 고유한 메모리 주소를 갖도록 하기 위함).
  • 1바이트는 최소 8비트여야 합니다.
  • 정수형인 char short int long long long 은 각각 최소 8 16 16 32 64비트의 크기를 가집니다.
  • char와 char8_t는 정확히 1바이트입니다.

분류	자료형 (Type)	최소 크기 (Minimum Size)	일반적인 크기 (Typical Size)
불리언 (Boolean)	bool	1 byte	1 byte
문자 (Character)	char	1 byte (exactly)	1 byte
문자 (Character)	wchar_t	1 byte	2 or 4 bytes
문자 (Character)	char8_t	1 byte	1 byte
문자 (Character)	char16_t	2 bytes	2 bytes
문자 (Character)	char32_t	4 bytes	4 bytes
정수 (Integral)	short	2 bytes	2 bytes
정수 (Integral)	int	2 bytes	4 bytes
정수 (Integral)	long	4 bytes	4 or 8 bytes
정수 (Integral)	long long	8 bytes	8 bytes
부동 소수점 (Floating point)	float	4 bytes	4 bytes
부동 소수점 (Floating point)	double	8 bytes	8 bytes
부동 소수점 (Floating point)	long double	8 bytes	8, 12, or 16 bytes
포인터 (Pointer)	std::nullptr_t	4 bytes	4 or 8 bytes

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sizeof 연산자 (The sizeof operator)

• 특정 머신에서 자료형의 크기를 확인하기 위해, C++은 sizeof라는 연산자를 제공합니다.
• sizeof 연산자는 자료형이나 변수를 받아, 해당 자료형의 객체 크기를 바이트 단위로 반환하는 단항 연산자(unary operator)입니다.

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오버플로우 (Overflow)

• 표현식 평가 중 결과가 수학적으로 정의되지 않거나 해당 타입의 표현 가능한 값 범위에 있지 않은 경우, 그 동작은 미정의(undefined)됩니다.
• 통상적으로 이를 오버플로우(overflow)라고 부릅니다.
• 산술 연산(덧셈이나 곱셈 등)이 표현 가능한 범위를 벗어나는 값을 생성하려고 시도하는 것을 정수 오버플로우(integer overflow) 또는 산술 오버플로우(arithmetic overflow)라고 합니다.

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부호 없는 정수의 오버플로우 (Overflow)

• 숫자 280은 1바이트 범위인 0~255에 담기에 너무 큽니다.
  • 이 타입의 가장 큰 수보다 1 큰 수는 256입니다.
  • 따라서 280을 256으로 나누면 몫은 1이고 나머지는 24가 됩니다.
  • 결과적으로 24가 저장됩니다.
• 이를 생각하는 또 다른 방법은 모듈러 래핑(modulo wrapping) 또는 순환(wrap around)입니다.
• 해당 타입으로 표현할 수 있는 가장 큰 수보다 큰 수는 단순히 범위를 "한 바퀴 돌아서" 처음으로 돌아갑니다.

• 반대 방향으로도 래핑이 가능합니다.
  • unsigned short 타입의 가장 큰 수는 65535입니다.
  • 0은 2바이트 부호 없는 정수로 표현 가능하므로 괜찮습니다.
  • -1은 표현할 수 없으므로 범위의 맨 끝(최댓값)으로 래핑되어 값 65535를 생성합니다.
  • -2는 65534가 됩니다. 이런 식으로 계속됩니다.

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부호 없는 숫자에 대한 논란

• signed 값은 0에서 멀리 떨어진 값들이 범위의 끝에 있기 때문에 실수로 범위의 위나 아래를 넘기기 쉽지 않습니다.
• 하지만 unsigned 숫자는 범위의 시작이 0이고, 대다수의 값이 0 근처에 있기 때문에 범위의 하단을 넘겨 오버플로우 시키기가 훨씬 쉽습니다.

• 더 교묘하게도, 부호 있는 정수 와 부호 없는 정수를 섞어서 사용할 때 예상치 못한 동작이 발생할 수 있습니다.
• C++에서는 수학 연산에 부호 있는 정수 하나와 부호 없는 정수 하나가 포함된 경우, 부호 있는 정수가 보통 부호 없는 정수로 변환됩니다.

Best Practice

• 음수가 아니어야 하는 수량일지라도 저장하거나 수학적 연산을 할 때는 부호 없는 숫자보다 부호 있는 숫자를 선호하십시오.
• 부호 있는 숫자와 부호 없는 숫자를 섞어서 사용하지 마십시오.

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그렇다면 언제 부호 없는 숫자를 사용해야 할까요?

• 비트 조작(bit manipulation)을 다룰 때 부호 없는 숫자가 선호됩니다.
• 또한 암호화나 난수 생성 알고리즘처럼 잘 정의된 래핑 동작이 필요한 경우에도 유용합니다.
• 주로 배열 인덱싱(array indexing)과 관련된 경우 부호 없는 숫자의 사용이 불가피할 때가 있습니다.
• 임베디드 시스템(예: 아두이노)이나 프로세서/메모리가 제한된 환경을 위해 개발하는 경우, 성능상의 이유로 부호 없는 숫자의 사용이 더 일반적이고 용인되며(어떤 경우에는 불가피하게) 사용됩니다.

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고정 너비 정수 (Fixed-width integers)

• 크기가 고정되어 있기 때문에 이를 고정 너비 정수(fixed-width integers)라고 부릅니다.
• 고정 너비 정수는 <cstdint> 헤더에 다음과 같이 정의되어 있습니다.
• 고정 너비 정수는 사실 새로운 타입을 정의하는 것이 아닙니다.
• 원하는 크기를 가진 기존 정수형의 별칭(alias)일 뿐입니다.

이름	고정 크기	고정 범위	비고
std::int8_t	1 byte (signed)	-128 ~ 127	많은 시스템에서 signed char처럼 취급됨. 아래 참고.
std::uint8_t	1 byte (unsigned)	0 ~ 255	많은 시스템에서 unsigned char처럼 취급됨. 아래 참고.
std::int16_t	2 byte (signed)	-32,768 ~ 32,767
std::uint16_t	2 byte (unsigned)	0 ~ 65,535
std::int32_t	4 byte (signed)	-2,147,483,648 ~ 2,147,483,647
std::uint32_t	4 byte (unsigned)	0 ~ 4,294,967,295
std::int64_t	8 byte (signed)	-9,223,372,036,854,775,808 ~ ...	(매우 큰 값)
std::uint64_t	8 byte (unsigned)	0 ~ 18,446,744,073,709,551,615

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빠른(Fast) 및 최소(Least) 정수 타입

• 빠른 타입 std::int_fast#_t 및 std::uint_fast#_t
• 적어도 # 비트의 크기를 가지면서 가장 빠른 부호 있는/없는 정수 타입을 제공합니다. (# = 8 16 32 64)
• 예를 들어 std::int_fast32_t는 32비트 이상인 정수 중 가장 빠른 타입을 제공합니다.
• 여기서 '가장 빠르다'는 것은 CPU가 가장 빠르게 처리할 수 있는 정수형을 의미합니다.

• 최소 타입 std::int_least#_t 및 std::uint_least#_t
• 적어도 # 비트의 크기를 가지면서 가장 작은 부호 있는/없는 정수 타입을 제공합니다. (# = 8 16 32 64)
• 예를 들어 std::uint_least32_t는 32비트 이상인 정수 중 가장 작은 타입을 제공합니다.

과학적 표기법(Scientific notation)

• 과학적 표기법은 긴 숫자를 간결하게 작성하기 위한 유용한 약기법입니다.
• 과학적 표기법의 숫자는 다음과 같은 형태를 띱니다.

• 관례상 과학적 표기법의 숫자는 소수점 앞에 한 자리 숫자만 오고, 나머지 자릿수는 소수점 뒤에 오도록 작성합니다.
• C++에서는 지수를 입력하거나 표시하기 어렵기 때문에, 우리는 e (또는 간혹 E)라는 문자를 사용하여 "10의 거듭제곱" 부분을 표현합니다.

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유효 숫자 (Significant digits)

• 가수에 있는 숫자들을 유효 숫자라고 합니다.
• 유효 숫자가 많을수록 숫자는 더 정밀합니다.

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십진수를 과학적 표기법으로 변환하는 방법

• 1. 지수는 0에서 시작합니다.
• 2. 숫자에 명시적인 소수점이 없다면, 암시적으로 오른쪽 끝에 있는 것입니다. (예: 123.)
• 3. 소수점 왼쪽에 0이 아닌 숫자가 단 하나만 남을 때까지 소수점을 왼쪽이나 오른쪽으로 이동합니다.
  • 소수점을 왼쪽으로 한 칸 이동할 때마다 지수가 1씩 증가합니다.
  • 소수점을 오른쪽으로 한 칸 이동할 때마다 지수가 1씩 감소합니다.
• 4. 선행 0 (가수의 왼쪽 끝에 있는 0) 을 잘라냅니다.
• 5. 원래 숫자에 소수점이 없었던 경우에만 후행 0(가수의 오른쪽 끝에 있는 0)을 잘라냅니다.
  • 우리는 이 0들이 유효하지 않다고 가정합니다.
  • 만약 유효하다는 추가 정보가 있다면 유지할 수 있습니다.

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부동 소수점 수 (Floating point numbers)

• 부동 소수점 타입 변수는 4320.0 -3.33 0.01226 과 같이 소수 부분이 있는 숫자를 저장할 수 있는 변수입니다.
• 부동 소수점 데이터 타입은 항상 signed 부호가 있습니다.

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부동 소수점 정밀도 (Floating point precision)

• 부동 소수점 타입의 정밀도는 정보 손실 없이 표현할 수 있는 유효 숫자의 개수를 정의합니다.
• 부동 소수점 타입이 가진 정밀도의 자릿수는 크기와 저장되는 특정 값에 따라 달라집니다.

• float 은 6~9자리의 정밀도를 가집니다.
• 이는 float가 최대 6자리의 유효 숫자를 가진 어떤 숫자든 정확하게 표현할 수 있음을 의미합니다.
• 7~9자리의 유효 숫자를 가진 숫자는, 값에 따라 정확하게 표현될 수도 있고 아닐 수도 있습니다.
• 그리고 9자리 이상의 정밀도를 가진 숫자는 확실히 정확하게 표현되지 않습니다.

• double 값은 15~18자리의 정밀도를 가지며, 대부분의 double 값은 적어도 16자리의 유효 숫자를 가집니다.
• long double은 차지하는 바이트 수에 따라 최소 15 18 또는 33 자리의 유효 숫자를 가집니다.

• 우리는 std::setprecision()이라는 출력 조정자 함수를 사용하여 std::cout이 보여주는 기본 정밀도를 재설정할 수 있습니다.
• 출력 조정자는 데이터가 출력되는 방식을 변경하며 <iomanip> 헤더에 정의되어 있습니다.
• 숫자를 정확하게 저장할 수 없어 정밀도가 손실되는 것을 반올림 오차(rounding error)라고 합니다.

불리언 변수 (Boolean variables)

• 불리언 변수는 true 와 false 두 가지 값만 가질 수 있는 변수입니다.
• 불리언 변수를 선언하려면 bool 키워드를 사용합니다.
• 정수가 불리언으로 변환될 수 있는 모든 문맥에서, 정수 0은 false 로 변환되고, 그 외의 모든 정수는 true로 변환됩니다.
• 불리언 변수의 기본값은 false 입니다.

bool b;

• 불리언 변수를 초기화하거나 값을 대입하려면 true와 false 키워드를 사용합니다.

bool b1 { true };
bool b2 { false };
b1 = false;
bool b3 {}; // 기본값인 false로 초기화됨

• 불리언 값은 실제로는 불리언 변수에 true 나 false라는 단어로 저장되지 않고, 정수값으로 저장됩니다.
• true는 정수 1로, false는 정수 0으로 저장됩니다.
• 불리언은 정수값을 저장하기 때문에 정수형으로 간주됩니다.

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std::boolalpha를 사용하여 true 또는 false로 출력하기

• 만약 std::cout이 0이나 1 대신 true나 false를 출력하게 하려면 std::boolalpha를 출력하면 됩니다.
• 이것은 아무것도 출력하지 않지만, std::cout이 bool 값을 출력하는 방식을 변경합니다.

#include <iostream>

int main()
{
    std::cout << true << '\n';
    std::cout << false << '\n';

    std::cout << std::boolalpha; // bool 값을 true 또는 false로 출력하게 설정

    std::cout << true << '\n';
    std::cout << false << '\n';
    return 0;
}

• 이 코드는 다음과 같이 출력합니다.

1 0 true false

• std::noboolalpha를 사용하면 설정을 다시 끌 수 있습니다.

문자형 (Chars)

• char 기본 자료형은 단 하나의 문자를 저장하기 위해 설계되었습니다.
• 문자란 글자 한 자 숫자 기호 또는 공백 등이 될 수 있습니다.

• char 데이터 타입은 정수형입니다.
• 즉, 내부적으로 값이 정수로 저장된다는 뜻입니다.

• char 변수에 저장된 정수는 ASCII 문자로 해석됩니다.

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문자(char) 초기화

• 문자 리터럴을 사용하여 char 변수를 초기화할 수 있습니다.

char ch2{ 'a' }; // 'a'의 코드 포인트로 초기화 (정수 97로 저장됨) (권장함)

• 정수로도 초기화할 수 있지만, 가능하면 피해야 합니다.

char ch1{ 97 }; // 정수 97로 초기화 ('a') (권장하지 않음)

암시적 형 변환 (Implicit type conversion)

• 대부분의 경우, C++은 우리가 기본 자료형의 값을 다른 기본 자료형으로 변환하는 것을 허용합니다.
• 데이터의 타입을 다른 타입으로 변환하는 과정을 형 변환(type conversion)이라고 합니다.
• 우리가 명시적으로 요청하지 않았는데도 컴파일러가 대신 형 변환을 수행하는 것을 암시적 형 변환(implicit type conversion)이라고 합니다.

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형 변환은 새로운 값을 생성합니다 (Type conversion produces a new value)

• 형 변환 과정은 변환할 데이터를 제공하는 값 자체를 수정하지 않습니다.
• 대신, 변환 과정은 그 데이터를 입력으로 사용하여 변환된 새로운 결과값을 만들어냅니다.
• 변환될 데이터가 인자로 전달되고, 변환된 결과가 임시 객체에 담겨 반환되어 호출자가 사용하게 됩니다.

• 어떤 형 변환은 변환되는 값을 항상 보존하지만, (예: char에서 int)
• 어떤 변환은 변환 중에 값이 변경될 수 있습니다. (예: double에서 int)
• 중괄호 초기화의 경우 에러를 발생시킵니다. (축소 변환을 허용하지 않기 때문입니다.)

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static_cast 연산자를 통한 명시적 형 변환 소개

• 명시적 형 변환은 프로그래머가 컴파일러에게 값을 한 타입에서 다른 타입으로 변환하도록 명시적으로 지시하고, 그 변환 결과에 대해 전적으로 책임을 지겠다고 선언하는 것입니다.
• 명시적 형 변환을 수행하기 위해 대부분의 경우 static_cast 연산자를 사용합니다.

static_cast<새로운_타입>(표현식)

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std::size_t란 무엇일까요?

• 다음 코드를 한 번 살펴볼게요.

#include <iostream>

int main(){
    std::cout << sizeof(int) << '\n';

    return 0;
}

• 이 코드가 다음과 같이 출력된답니다.

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• 아주 간단하죠? 여기서 우리는 sizeof 연산자(operator)가 정수 값을 반환한다는 것을 유추할 수 있어요.
• 그렇다면 이 반환 값은 정확히 어떤 정수형(integral type)일까요? int일까요? 아니면 short일까요?

• 정답은 바로 sizeof가 반환하는 값의 타입이 std::size_t라는 것입니다.
• std::size_t는 컴파일러의 구현에 따라 정의되는 부호 없는 정수형의 별칭이에요.
• 다시 말해, std::size_t가 unsigned int가 될지, unsigned long이 될지, 아니면 unsigned long long이 될지 등은 컴파일러가 알아서 결정한다는 뜻이지요.

• 일반적인 정수형이 시스템에 따라 크기가 달라질 수 있는 것처럼, std::size_t 역시 시스템에 따라 크기가 변할 수 있습니다.
• std::size_t는 부호가 없는 최소 16비트(2바이트) 이상의 크기를 가진다는 것이 보장되지만, 대부분의 시스템에서는 애플리케이션의 주소 너비와 동일한 크기를 갖게 됩니다.
• 즉, 32비트 애플리케이션에서는 일반적으로 32비트 부호 없는 정수가 되고, 64비트 애플리케이션에서는 64비트 부호 없는 정수가 되는 식이죠.