🧸 객체지향 C언어

짱짱 편한 다른 객체지향 언어 하다가 C언어로 넘어오면 불편한게 한두개가 아니다.
불편한거 나열하라고 하면 한도끝도 없지만 제일 불편한건 class의 부재다.

뭐야 내 객체지향 돌려줘요

C언어는 객체지향 언어가 아니다. 하지만 객체지향은 프로그래밍 패러다임일 뿐이다 객체지향언어가 아니더라도 불편하지만 객체지향을 적용할 수 있다. 리눅스 커널이나 GTK+은 C에서도 객체지향이 가능하다는 것을 보여주는 좋은 예시일 것이다.

오늘은 C언어에서 최대한 객체지향 패러다임을 적용시켜서 객체지향 언어를 흉내내는 법에대해서 알아보려고한다.

뜻이있으면 길이있는법

어쩌면 그 모습이 위에있는 converter의 converter의 converter같은 혼종의 모습으로 보일지 모르겠다... 아무튼 알아보자.

malloc engineering

학교에서 과제할때 보면 교수님이 언어 아무거나 써도 된다고 하는데 굳이~ 그걸 c언어 써서 구현하는 사람들이 있다. 우리는 그들을 malloc engineer라고 부른다.

C언어로 객체지향을 흉내내기 위해서는 잠시 우리도 malloc engineer가 되어야 할 필요가 있다. 왜 그들이 malloc에 잡아먹힌 괴물이 되었는지, 그들의 머릿속은 어떻게 생겼는지 오늘 함께 알아보자.

생성자

이전 포스팅에서 만들었던 학생 구조체를 생각해보자.

struct student {
    char* name;       // 이름
    char* major;      // 전공
    float gpa;        // 학점
};

새로운 학생을 하나 만들기 위해서 우리는 아래와 같은 작업을 했다.

struct student t = {
    .name = "Jacky",
    .major = "CSE",
    .gpa = 4.4,
};

한번 위의 방식을 다른 객체지향 언어에서 했던 것처럼 아래의 생성방식으로 할 수 있게 만들어보자.

Student jacky = new Student("Jacky", "CSE", 4.4);

우선 거추장스러운 struct student 를 없앤다.

typedef struct student student_t;

💁🏻‍♀️ FYI: typedef 와 #define의 차이점?
우선, #define은 scope에서 자유롭지만 typedef는 scope의 영향을 받는다.
그리고, #define으로 정의한 포인터는 예상치 못한 동작을 한다. 아래의 예시를 보자

#define student_p student_t*
student_p jack, jill;
jack은 student_t*, jill은 student_t
ㅤ
typedef student_t* student_p;
student_p jack, jill;
jack과 jill 모두 student_t*
ㅤ
#define은 단순히 전처리기를 통해 치환하기 때문에 이러한 동작의 차이가 나타난다.
student_t *jack, *jill;ㅤㅤㅤ이렇게 해야되는데
student_t* jack, jill;ㅤㅤㅤㅤ이렇게 단순하게 치환함

👮🏻‍♀️ TMI: TODO: _t컨벤션 설명 여기에 추가

student_t new_student(char* name, char* major, float gpa) {
    student_t this = {
        .name = name,
        .major = major,
        .gpa= gpa,
    };

    return this;
}

요로케하면 이제 학생을 만들때 아래처럼 만들 수 있다!

student_t jacky = new_student("Jacky", "CSE", 4.4);

굉장히 깔끔해 보인다. 하지만 문제가 있는데 jacky에 주소값을 대입하는 것이 아니라 구조체 값을 대입하기 때문에 느리다는것. (student_t의 사이즈만큼 mov가 발생한다.)

이런느낌... pointer를 사용하면 더 빠르게 바꿀 수 있다.

사실 C에 Call by reference, pass by reference라는것은 없다. 함수에 주소가 오가는것은 reference의 이동이 아닌 포인터 값의 복사다.

student_t* new_student(char* name, char* major, float gpa) {
    student_t this = {
        .name = name,
        .major = major,
        .gpa= gpa,
    };

    return &this;
}

그냥 이렇게 바꾸면 편할거같은데 절대로 위처럼 하면 안된다. this가 stack에 쌓인 변수이고 new_student()의 호출 종료시에 lifetime이 끝나기 때문이다. this는 언제든 덮어 씌워질 수 있다. 따라서 아래와 같이 malloc()을 이용해서 stack이 아닌 heap영역에 메모리를 잡아야한다.

#include <stdlib.h>
#include <assert.h>

student_t* new_student(char* name, char* major, float gpa) {
    student_t* this = malloc(sizeof(student_t));
    assert(this);

    this->name = name;
    this->major = major;
    this->gpa = gpa;

    return this;
}

// Usage
student_t* jacky = new_student("Jacky", "CSE", 4.4);

💁🏻‍♀️ FYI: malloc() 으로 할당받은 공간을 왜 (student_t *)로 캐스팅하지 않는가?
c++에서는 캐스팅이 반드시 필요하기 때문에 c++ 호환을 위해서는 필요하지만 ANSI/ISO C 표준에서 이러한 캐스팅은 전혀 필요하지 않다. g++과 gcc로 각각 컴파일 해보면 알 수 있다.

🍯 꿀팁: 알아두면 좋은 assert()
assert(this);는 this가 0이 아니면 조용히 지나가고 0이면 종료한다.
malloc()함수가 공간을 받아오는데 실패하면 NULL을 리턴하기 때문에 쓴 코드다.
NULL 은 (void *)0 으로 stddef.h에 정의되어 있다.
사실 assert는 프로그램을 강제종료하기 때문에 배포 프로그램에서 malloc()과 같이 쓰는 일은 없어야 할 것이다.

싱글톤 패턴

싱글톤 패턴은 단 하나의 객체만을 생성하는 디자인패턴이다. C에서는 함수속 static 변수를 이용해서 구현할 수 있다.

student_t* new_student(char* name, char* major, float gpa) {
    static student_t this;
    static bool is_initialized;
    
    if (is_initialized) return &this;
    this = (student_t) {
        .name = name,
        .major = major,
        .gpa = gpa,
    };
    is_initialized = true;

    return &this;
}

this는 단 한번만 초기화되고 new_student를 계속 호출해도 같은 &this를 리턴한다.

👀 : 아까는 함수 내부 변수 &this 리턴하지 말라고 하지않았었냐?
Answer : 함수 내부에 static으로 선언된 변수는 stack에 쌓이지 않고 .bss 영역에 자리잡는다. 따라서 덮어 씌워질 일이 없기때문에 static 변수의 주소를 리턴하는것은 합법적이다. 자세한 내용은 runtime storage편 참고.

👀 static bool is_initialized 이거 초기화 안해줘도 되는거냐?
Answer : .bss영역에 자리하는 static 변수들, 전역변수들은 따로 초기화를 하지 않을때 0으로 초기화가 보장된다. (float, double등은 0.0으로 초기화해준다)
따라서 static으로 is_initialized를 만들지 않고 내부의 변수가 0인지 비교하는것으로 그 역할을 대신해도 된다.

TODO: 인자 전부 안넘겨 주는거는 어떻게 구현하냐에 관한 내용 여기에

TODO: 인자 기본값 설정 여기에 (김준철)

소멸자

소멸자의 책임

소멸자안에서는 구조체 멤버들도 함께 소멸시켜야 할 책임이 있다. 멤버가 동적할당된 메모리를 갖고있다면 this를 소멸시키기 전에 먼저 멤버들을 정리시켜줘야한다. 여기서는 name과 major가 string literal을 가르키기때문에 그냥 this만 정리해주면 된다.

소멸자 기능을 함수로 만들어보자.

void del_student(student* this) {
    free(this);
}
// Usage
student_t jacky = new_student(...);
del_student(jacky);

👮🏻‍♀️ TMI: 보통 destructor, destroyer, del 등의 명칭을 쓴다. 취향에 따라서 앞에 붙일지 뒤에 붙일지 다름 del_student, student_del 이런식으로

만약에 name과 major가 string literal이 아닌 동적할당된 영역을 가리키는 경우는 생성자와 소멸자가 다음과 같이 달라진다.

#include <string.h>

student_t* new_student(char* name, char* major, float gpa) {
    student_t* this = malloc(sizeof(student_t));
    
    this->name = strdup(name);
    this->major = strdup(major);
    this->gpa = gpa;
    
    return this;
}

void del_student(student* this) {
    free(this->name);
    free(this->major);
    free(this);
}

🍯 꿀팁: strdup()는 new_string()같은 역할을 한다. 스트링을 동적할당된 공간에 담아서 그 주소값을 리턴해준다. heap에 동적할당된 주소기 때문에 나중에 free() 해줘야 할 의무가있다.

reference

• https://pubul.tistory.com/166?category=716689 (땔감툰 조아요)
• https://kldp.org/node/58392 (고이고 고인 고인물 커뮤니티)
• https://kldp.org/node/119844 (C doesn't support call-by-reference)