시리즈에서 다루는 내용들

'C언어로 이런게 가능한가?' 라는 생각이 드는 대부분의 사람들이 대학 교육과정에서 배우지 않은 부분들을 학교에서 알려주지 않는 C언어 시리즈에서 다루려고 한다.

대부분의 학교커리큘럼상 C언어 과목에서 반복문 배열 포인터 등을 배우고 마지막에 구조체, 함수포인터, 동적할당 등을 배우게된다. 수학책 볼때도 맨앞에있는 집합은 다들 열심히보고 마지막챕터가 뭔지도 까먹듯이 반복문 배열은 다들 잘 아는데 마지막에 배운 구조체나 함수포인터 동적할당은 기억이 안나는 현상이 발생한다.

그래서 우선 대부분의 사람들의 기억에서 많이 잊혀진 구조체, 함수포인터, 동적할당등의 개념을 다시 되짚어보고 더 나아가서 C언어에서 객체지향 적용하는법을 소개하면서 여러가지 C언어 테크닉들에 대해 알아볼것이다.

따라서 앞으로 구성될 목차는 다음과 같다

👨🏻‍🏫 C언어 리마인드

• 구조체
• 함수포인터
• 동적할당과 runtime storage

🧸 객체지향 C언어 (A사의 Objective-C가 아닙니다)

• 생성자와 소멸자
• 멤버 함수 (함수 포인터)
• 오버로딩 (전처리기 테크닉)
• 다형성 (Incomplete type 테크닉)
• Dynamic Type Checking

🧪 TDD C

• ceedling 소개

그중에서도 C언어 리마인드편은 다룰 내용이 많지 않으니 본 포스트에서 다루겠다.

👨🏻‍🏫 C언어 Remind

구조체

프로그래밍 언어에서는 프로그래머가 어떤 자료형을 원할지 전부 알아서 제공할 수 없기 때문에 최소한의 원시자료형만 제공해주고 별도로 원하는 자료형은 프로그래머가 직접 만들수있게 지원을 해준다. C언어에서는 이를 구조체를 통해서 가능하게한다. 아니 아무리그래도 스택도 제공 안하는건 너무한거 아니냐고

예를들어서 학생의 정보를 담는 자료형을 만든다고 하자.

struct student {
    char *name;      // 학생 이름
    char *major;     // 전공
    float gpa;       // A.K.A 학점
};

name과 major가 1워드, gpa가 4바이트(float 크기)의 공간을 차지하는 구조체가 완성되었다.

1워드는 몇비트 운영체제냐에 따라서 달라진다. 64비트 운영체제에서는 1워드가 64비트고 32비트 운영체제에서는 32비트이다. 타입에 상관없이 모든 포인터는 1워드의 고정된 크기를 갖는다. 다시말해 void* 와 int*, char* 는 모두 같은 1워드의 공간을 갖는다.
본 포스트에서는 편의상 1워드를 64비트(8바이트)로 가정한다.

💁🏻‍♀️ FYI: 구조체안의 변수들은 연속된 공간을 갖게되는데 가끔 컴퓨터 구조상의 문제로 padding이 변수들 사이 혹은 앞뒤에 들어가기도 한다.
struct student같은 경우에는 8바이트 + 8바이트 + 4바이트로 20바이트의 크기일것같지만 대부분의 컴파일러는 64비트 운영체제에서 빠르게 돌아가도록 padding을 4바이트 붙여서 24바이트로 구조체를 만든다. (관련 과목: 컴퓨터 구조, 시스템 프로그래밍)

struct student { ... };로 정의한 구조체는 struct student 변수명; 으로 선언해서 사용할 수 있다.

struct student t = {       // student's t-distribution
    "William Sealy Gosset",
    "statistics",
    4.5,
};

이렇게 선언하면 { } 안에있는 내용들이 순서대로 name, major, gpa 에 하나씩 들어가게 된다. 더 명시적으로 초기화하는 방법은 .으로 각 필드를 지정해주는 것이다.

struct student t = {
    .major = "statistics",
    .name = "William Sealy Gosset",
    .gpa = 4.5,
};

.으로 필드를 지정해주면 순서를 바꿔서 집어넣을 수 있고, 더 명시적으로 나타난다.
모던해보이는데 생각보다 오래된 C언어 문법이다. c9x (199x년) 부터 지원되는 문법.

👮🏻‍♀️ TMI: .표기법의 정식 명칭은 designated initializer이다

.표기법의 존재자체를 배우지 않았거나 구조체 변수의 초기화시에만 사용가능한것 까지만 배운사람이 많을텐데 정말 놀랍게도 익명 구조체도 가능하다. 심지어 c11 (2011년)뿐 아니라 c99 (1999년)에서도 된다.

void print_student(struct student t) {
    puts(t.name);
    puts(t.major);
    printf("%d\n", t.gpa);
}

print_student((struct student){
    .major = "cse",
    .name = "gomjellie",
    .gpa = 3.6,
});

👮🏻‍♀️ TMI: 익명 구조체는 compound literal이라고 한다. c99(1999년)부터 지원된다.

함수 포인터

함수포인터는 void *와 더불어 C언어의 유연성을 만들어주는 C언어의 꽃같은 존재이다.

선언방식이 좀 특이한데 반환형 (*함수포인터 변수명) (인자) 순서로 쓴다.

반환형이 없고 인자로 int* 를 두개 갖는 함수 포인터 *fp의 선언 예시

void (*fp) (int*, int*); // *fp: function pointer

1학년때 수업을 돌이켜보면 함수포인터가 어떻게 생겼는지 어떻게 대입하고 넘겨주는지는 알려주는데 왜 필요한건지는 알려주지 않는다. 함수포인터는 왜 필요할까?

함수포인터에 대한 필요성은 고전 명작 어린왕자에서 찾아볼 수 있다.

C언어 행성 근처를 여행하던 나는 어느 날 사막에서 문득 비행기 고장을 마주하게 되었다.

비행기 엔진의 어딘가가 파손된 것이다. 정비사도 승객도 없이 혼자였으므로 나는 그 어려운 수리를 손수 해보겠다고 마음먹었다.

내게 있어서 그것은 죽느냐 사느냐의 문제였다. 마실 물이 일주일분밖에 남아 있지 않았던 것이다.

첫날 밤, 나는 사람이 사는 곳에서 수만 리 떨어진 사막에서 잠이 들었다. 드넓은 바다 한가운데에서 뗏목을 타고 표류하는 난파자보다도 훨씬 더 고립된 신세였다.

그러니 해가 뜰 무렵, 어떤 기이한 목소리에 잠이 깬 내가 얼마나 놀랐을지 여러분은 상상할 수 있을 것이다. 그 목소리는 말했다.

💁🏽 : 저기.... 소트 함수 하나만 짜줘

😧 : 응?

💁🏽 : 나, 소트 함수 하나만 짜줘

"얘는 내가 컴공인걸 어떻게 알았지? 내가 그렇게 컴공처럼 생겼나? 역시 체크남방이 문제인건가?" 따위의 생각이 뇌리를 스칠새도 없이 당황한 내 입에서는 알겠다는 말이 먼저 나온다. 너무나 갑자기 놀라운 일을 당하게 되면 감히 거역할 생각을 못 하는 법이다.
조수석 가방안의 맥북을 꺼내 나는 간단한 버블소트 함수를 코딩해서 보여준다.

#define SWAP(x, y) do { typeof(x) SWAP = x; x = y; y = SWAP; } while (0)

void sort(int arr[], size_t len) {
    for (size_t i = 0; i < len; i++) {
        for (size_t j = i + 1; j < len; j++) {
            if (arr[i] > arr[j])
                SWAP(arr[i], arr[j]);
        }
    }
}

🤦🏽: 아냐, 아냐! 이 sort함수는 정수형 타입밖에 못쓰잖아. int형은 너무 거추장스러워. 나는 double형 타입 배열을 정렬할꺼야. 나, sort 함수 하나만 짜줘.

ㅅㅂㄹㅁ? 진작말하던가

귀찮지만 함수를 복붙해서 약간 수정하면 되기때문에 다음과 같이 sort_double() 함수를 추가해서 보여준다.

void sort_double(double arr[], size_t len) {
    for (size_t i = 0; i < len; i++) {
        for (size_t j = i + 1; j < len; j++) {
            if (arr[i] > arr[j])
                SWAP(arr[i], arr[j]);
        }
    }
}

🙅🏽: 안 돼! float 형은 지원이 안되는걸? 다른 sort함수를 만들어줘.

그래서 나는 또다시 sort_float()함수를 추가해서 보여줬다. 그러나 앞의 것들과 마찬가지로 퇴짜를 맞았다.

엔진을 분해하는 일이 급하기에 나는 아무렇게나 다음과 같은 함수를 끼적거려놓고는 그에게 한마디를 툭 던져보았다.

#include <stdbool.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

void sort(void *arr, size_t len, size_t ts, bool (*cmp) (void *a, void *b)) { // ts: type_size
    void *tmp = malloc(ts);
    for (size_t i = 0; i < len; i++) {
        for (size_t j = i + 1; j < len; j++) {
            if (!cmp((char *)arr + i * ts, (char *)arr + j * ts)) continue;
            memcpy(tmp, (char *)arr + j * ts, ts);
            memcpy((char *)arr + j * ts, (char *)arr + i * ts, ts);
            memcpy((char *)arr + i * ts, tmp, ts);
        }
    }
    free(tmp);
}

😧 이건 generic한 sort야 네가 원하는 타입 지원은 함수포인터 *cmp안에 있어.

🙆🏽 내가 원하던게 바로 이거야!

이렇게 나는 이 어린왕자를 알게 되었다.

만약 함수포인터 개념을 숙지하지 못했다면 어린왕자를 만족시키지 못했을 것이고 든든한 석유재벌 인맥을 얻지 못했을 것이다.

동적할당과 runtime storage

malloc은 말록이 아니라 m-alloc으로 읽습니다.

malloc() 함수는 왜 필요할까?

배열의 선언은 고정된 사이즈로만 가능해서

int len;
scanf("%d", &len);
int dynamic_array[len];

위의 코드가 동작하지 않기 때문에 dynamic_array를 아래의 코드처럼 malloc() 함수를 통해서 공간을 만든다고 배운 사람이 많을 것이다.

int *dynamic_array = malloc(sizeof(int) * len);

반은 맞고 반은 틀린 이유다.

c언어는 VLA(variable length array)라고 불리는 가변길이 배열을 지원한다. 따라서 dynamic_array[len]은 잘 동작하는 컴파일러가 많다. (비주얼스튜디오 꺼라)

👮🏻‍♀️ TMI: VLA는 C99에서 필수구현, C11에선 컴파일러에 따라서 구현되지 않았을 수도 있다.

그렇다면 malloc()이 필요한 정확한 이유는 무엇일까?

malloc()이 필요한 이유는 lifetime을 컨트롤 할 수 있는 공간을 갖기 위해서이다.

학교 수업을 열심히 들은 사람이라면 malloc으로 할당된 공간과 함수내부의 지역변수가 할당된 공간이 heap과 stack으로 다르다는 것을 알것이다. 그러나 이는 대표적이 C언어 스펙에 대한 오개념이다.

정말 놀랍게도 C언어 자체에는 스택과 힙 개념이 포함되어 있지 않다. C11의 Final Draft인 n1570에는 stack과 heap라는 단어 자체가 아예 나오지 않는다. 당연히, 지역변수는 stack에, malloc의 결과값은 heap에 위치한다라는 널리 알려진 규칙 또한 존재하지 않는다.

C언어는 심지어 함수 호출을 반드시 stack을 통해 구현하기를 요구하지 않는다. 스택과 힙을 사용하는지 여부는 C언어에서 요구하는 것이 아니며 CPU와 OS의 특성에 따라 결정된다. 자세한 내용은 꺼무위키 참조

다음포스트 C의 객체로 이어집니다.

references

• C발(C언어만 보면 발전하는) 김준철의 뇌
• https://planetpdf.com/codecuts/pdfs/ooc.pdf
• 어린왕자 (양을 한마리 그려줘) - 생텍쥐페리