📘15장 Writing Large Programs | Study

C Programming, A Modern Approach - K.N.KING으로 C언어를 공부하면서 정리한 내용입니다.
번역본 https://wikidocs.net/book/2494 을 참고하였습니다.

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15.1 Source Files
15.2 Header Files
15.3 Dividing a Program into Files
15.4 Building a Multiple-File Program

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📍 Writing Large Programs

소스 파일은 함수와 외부 변수의 정의부를 갖고 있고, 헤더 파일은 소스 파일간 공유할 정보를 갖고 있다.

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📍 Source Files

C 프로그램은 여러개의 소스 파일로 나뉠 수 있다. 각 소스파일은 주로 함수와 변수들의 정의가 담겨 있으며 소스 파일들 중 하나는 반드시 프로그램의 시작점을 의미하는 main 함수를 가지고 있어야 한다.

🔎 프로그램을 여러 소스 파일로 나눌 때의 장점

1) 관련이 있는 함수, 변수들을 한 파일로 모으면 프로그램의 구조가 명확해진다.

2) 각 소스 파일들은 따로 컴파일 시킬 수 있어 프로그램의 규모가 크거나 자주 수정되는 경우 시간이 절약된다

3) 함수들을 따로 소스 파일로 정리해주면 다른 프로그램에서도 재사용할 수 있다. main 함수와 다른 함수들을 분리함으로써 다른 프로그램에서 해당 함수 사용이 가능해진다.

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📍 Header Files

#include 지시자를 통해 여러 소스 파일 간 함수 원형, 매크로 정의, 형 정의 등과 같은 정보들을 공유할 수 있다.

#include 지시자는 전처리기에게 주어진 파일을 열어 그 내용을 현재 파일에 전부 붙여넣기 만든다. 이런 식으로 추가되는 파일들을 헤더 파일(header file)이라고 부른다.

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📍 The #include Directive

🔎 #include 사용

1) C 자체 라이브러리에 존재하는 헤더 파일을 추가할 때

#include <filename>

시스템 헤더 파일들이 있는 폴더에서 파일을 찾는다.

2) 직접 작성해준 헤더 파일 등

#include "filename"

이 경우 현재 폴더에서 파일을 찾는다.

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📍 Sharing Macro Definitions and Type Definitions

매크로 정의, 행 정의들을 소스 파일들 간에 공유해야 할 때는 헤더파일에 넣어주는 것이 좋다.

그러면 소스 파일마다 일일이 정의를 넣어줄 필요가 없으며 프로그램을 수정하기가 쉬워진다. 또한 소스 파일들이 서로 같은 매크로와 형을 다르게 정의하는 일을 막을 수 있다.

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📍 Sharing Function Prototypes

함수의 원형이 정의되기 전에 호출되는 것을 막기 위해 헤더 파일에 함수의 원형을 넣어주면 된다.

예를 들어 foo.c에 f라는 함수가 선언되어 있다면 foo.h라는 헤더파일을 만들어 f의 함수 원형을 넣고, foo.h를 foo.c와 f를 호출하는 소스 파일에 추가해준다.

🔎 예시 (stack)

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📍 Sharing Variable Declarations

외부변수는 함수와 같은 방법으로 파일끼리 공유할 수 있다.

아래의 경우 i를 선언하고 정의도 해준다.

int i

만약 변수를 정의하지 않고 선언만 해주려면 extern 키워드를 이용하면 된다.

extern int i;

이 경우 컴파일러는 이러한 파일들에 대해 각각 i의 공간을 전부 할당해주지는 않는다.

변수를 파일 간 공유를 할 땐 동일한 변수가 서로 다른 파일에서 다르게 선언되지 않도록 주의해야 한다.

파일 간 변수를 공유하는 것은 몇 가지 단점들이 있다.

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📍 Nested Includes (내부 인클루드)

헤더 파일에서도 #include 지시자를 이용할 수 있다.
예를 들어 stack.h에 boolean.h 파일을 추가해줄 수 있다.

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📍 Protecting Header Files

같은 헤더 파일이 두 번 추가되는 것을 막아주어야 한다. 헤더 파일을 보호하기 위해서는 파일의 내용물을 #ifndef-#endif로 감싸주면 된다.

#ifndef BOOLEAN_H
#define BOOLEAN_H

#define TRUE 1
#define FALSE 0
typedef int Bool;

#endif

이 파일을 처음 추가할 땐 BOOLEAN_H 매크로가 정의되어있지 않으므로 전처리는 #ifndef와 #endif 사이의 줄들을 그대로 내버려 둘 것이다. 그러나 다음에는 그 사이 줄들을 없앤다.

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📍 #error Directives in Header Files

#error 지시자는 주로 헤더 파일 안에서 헤더 파일이 추가되지 말아야 할 조건들을 확인할 때 사용되곤 한다.

🔎 옛날 비표준 컴파일러 사용 방지

#ifndef __STDC__
#error This header requires a Standard C compiler
#endif

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📍 Dividing a Program into Files

🔎 justify(텍스트 서식 프로그램)에 quote 파일 넣기

justify

   C     is quirky,  flawed,    and  an
enormous   success.      Although accidents of   history
 surely  helped,   it evidently    satisfied   a   need

    for  a   system  implementation    language    efficient
 enough   to  displace         assembly   language,
   yet sufficiently   abstract   and fluent    to describe
  algorithms   and     interactions    in a   wide   variety
of   environments.
                     --      Dennis     M.        Ritchie

이 프로그램을 UNIX 혹은 Windows 프롬프트에서 실행하기 위해서는 아래 명령어를 실행해야 한다.

justify <quote

< (input redirection) : justify가 입력을 키보드에서 받는 대신 OS로 하여금 quote 라는 파일에서부터 받도록 한다.

위 명령어를 실행하고 나면 다음과 같이 출력된다.

C is quirky,  flawed,  and  an  enormous  success.  Although
accidents of history surely helped, it evidently satisfied a
need for a system implementation language  efficient  enough
to displace assembly language, yet sufficiently abstract and
fluent to describe algorithms and  interactions  in  a  wide
variety of environments. -- Dennis M. Ritchie

output redirection을 이용하면 저장해 줄 수 있다.
아래 명령어를 통해 newquote에 출력된 내용을 저장할 수 있다.

justify <quote >newquote

justify에 대해 추가적으로 알아보면 불필요한 띄어쓰기나 빈 줄이 제거되어 정렬된다. 또한 20개의 문자보다 더 긴 단어를 읽게 되면 20개 이후의 문자들을 무시하고 별표로 대체한다.

예를 들어 antidisestablishmentarianism는 antidisestablishment* 로 출력된다.

이제 프로그램을 설계해보자. 먼저 단어들을 담고 있을 버퍼가 필요하다. 단어와 관련된 함수들을 한 파일(word.c)에 넣고, 줄 버퍼와 관련된 함수들은 다른 파일(line.c)에 넣을 수 있다. 또 justify.c에 main함수를 넣어준다.

🔎 word.c

#include <stdio.h>

#include "word.h"

int read_char(void)
{
    int ch = getchar();

    if (ch == '\n' || ch == '\t') {
         return ' ';
    }
    return ch;
}

void read_word(char* out_word, int len) {
    int ch = 0;
    int pos = 0;

    while ((ch = read_char()) == ' ') {
    }

    while (ch != ' ' && ch != EOF) {
        if (pos < len) {
            word[pos++] = ch;
        }
        ch = read_char();
    }
    word[pos] = '\0';
}

🔎 line.c

#include <stdio.h>
#include <string.h>

#include "line.h"

#define MAX_LINE_LEN 60

char g_line[MAX_LINE_LEN + 1];
int g_line_len = 0;
int g_num_words = 0;

void clear_line(void)
{
    g_line[0] = '\0';
    g_line_len = 0;
    g_num_words = 0;
}

void add_word(const char *word)
{
    if (g_num_words > 0) {
        g_line[g_line_len] = ' ';
        g_line[g_line_len+1] = '\0';
        g_line_len++;
    }
    strcat(g_line, word);
    g_line_len += strlen(word);
    g_num_words++;
}

int get_space_remaining(void)
{
    return MAX_LINE_LEN - g_line_len;
}

void write_line(void)
{
    int extra_spaces = MAX_LINE_LEN - g_line_len;
    int space_to_insert = 0;

    for (int i = 0; i < g_line_len; i++) {
        if (g_line[i] != ' ') {
            putchar(g_line[i]);
        } else {
            space_to_insert = extra_spaces / (g_num_words - 1);
            for (int j = 1; j <= space_to_insert + 1; j++) {
                putchar(' ');
            }
            extra_spaces -= space_to_insert;
            g_num_words--;
        }
    }
    putchar('\n');
}

void flush_line(void)
{
    if (g_line_len > 0)
        puts(g_line);
}

🔎 justify.c

/* 글자로 이루어진 파일을 정렬해준다. */

#include <string.h>

#include "line.h"
#include "word.h"

#define MAX_WORD_LEN 20

int main(void)
{
    char word[MAX_WORD_LEN + 2];
    int word_len;

    clear_line();
    for (;;) {
        read_word(word, MAX_WORD_LEN+1);
        word_len = strlen(word);
        if (word_len == 0) {
            flush_line();
            return 0;
        }
        if (word_len > MAX_WORD_LEN) {
            word[MAX_WORD_LEN] = '*';
        }
        if (word_len + 1 > space_remaining()) {
            write_line();
            clear_line();
        }
        add_word(word);
    }
}

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📍 Building a Multiple-File Program

1) 컴파일 : 프로그램의 각 소스 파일들은 독립적으로 컴파일되어야 한다. (헤더파일은 컴파일할 필요X)
각 소스 파일마다 컴파일러는 목적 코드를 포함하는 파일인 목적 파일(object file)을 생성한다. windows에서는 .obj 확장자를 가진다.

2) 링크 : 링커는 전 단계에서 생성한 목적 파일을 라이브러리 함수를 위한 코드와 연결해주어 실행 가능한 파일을 생성한다.

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📍 Makefiles

명령 줄에 모든 소스 파일을 적는 것은 시간 낭비 이므로 UNIX는 메이크파일(makefile)이라는 개념을 만들었다. 메이크파일은 파일들을 수록하며, 파일 간의 종속성(dependencies)또한 명시한다.

🔎 justify 프로그램을 위한 UNIX 메이크파일

justify: justify.o word.o line.o
    gcc -o justify justify.o word.o line.o

justify.o: justify.c word.h line.h
    gcc -c justify.c

word.o: word.c word.h
    gcc -c word.c

line.o: line.c line.h
    gcc -c line.c

1) 규칙(rule) : 각 부분
2) 목표(target) : 각 규칙의 첫 번째 줄, 그 뒤로 종속성이 있는 파일들
3) 명령(command) : 두번째 줄, 목표가 종속되어 있는 파일이 수정되어 목표를 재구축해야 할 경우 실행

예를 들어 첫번째 규칙에서는 justify가 목표이며 justify가 justify.o, word.o, line.o에 종속되어 있다. 프로그램이 가장 최근에 구축되었을 때 이 3가지 중 하나라도 변경사항이 있다면 justify는 재구축을 해야 한다.

추가적으로 gcc -c justify.c에서 -c는 justify.c를 목적 파일로 컴파일하되 링크는 하지 말라는 의미이다.

이런식으로 프로그램을 위한 메이크파일을 형성한 이후 make 기능을 이용하여 프로그램을 구축할 수 있다. 각 파일의 시간, 날짜를 확인하여 최신 여부를 판단할 수 있고 재구축이 가능하다.

🔎 make와 관련하여 알아야 하는 사항

1) 메이크 파일의 각 명령은 스페이스가 아닌 탭 문자로 띄어 쓴다.

2) 메이크파일은 보통 Makefile(또는 makefile)이라는 이름으로 저장한다.

3) make를 실행하려면 아래 명령어를 실행하면 된다.

make target 

여기서 target(목표)은 makefile에 수록된 목표중 하나이며 특정 목표를 명시하지 않을 경우 첫 번째 규칙의 목표를 구축한다.

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📍 Errors During Linking

컴파일 때 검출하지 못한 몇몇 오류들은 링크할 때 검출되기도 한다. 특히 프로그램 내에 어떤 함수나 변수의 정의가 생략되어 있을 경우 미정의된 기호(undefined symbol) 또는 미정의도니 참조(undefined reference)와 같은 메시지를 출력한다.

🔎 링커 오류의 흔한 원인

1) 오타
2) 누락된 파일
3) 누락된 라이브러리

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📍 Rebuiling a Program

프로그램을 다시 컴파일 하는 경우 시간을 절약하기 위해 오로지 최근 변경 사항에 해당하는 파일들만 재컴파일 해야 한다.

재컴파일해야 하는 파일(변화가 있는 파일)이 몇 개인지 보기 위해서는 두 가지 경우를 고려해야 한다.

1) 변화가 오로지 한 소스 파일에만 영향을 주는 경우
이 경우 해당 파일만 재컴파일 되어야 한다.

2) 한 헤더 파일에 수정사항이 있을 경우
이 경우 해당 헤더 파일을 추가한 모든 파일이 영향을 받을 수 있으므로 모두 재컴파일해야 한다.

justify.c word.c는 재컴파일 하고, line.c는 재컴파일 하지 않아도 되는 경우 아래의 명령을 사용하면 된다. (gcc 컴파일러 기준)

gcc -o justify justify.c word.c line.o

line.c는 재컴파일 하지 않아도 되므로 line.o 를 사용하였다.

makefile을 사용하는 장점 중 하나는 재구축이 자동으로 처리가 된다는 것이다. 각 파일의 날짜와 시간을 파악한 후 수정된 파일과 종속된 파일들을 모두 재컴파일 한다.

🔎 justify 프로그램을 재구축할 경우 make가 하는 행동

1) justify.c를 컴파일하여 justify.o 구축
2) word.c 컴파일 하여 word.o 구축
3) justify.o, word.o, line.o를 링크하여 justify 구축

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📍 Defining Macros Outside a Program

프로그램 파일을 수정하지 않고도 매크로의 값을 수정할 수 있다.

대부분의 컴파일러는 명령 줄에서 매크로의 값을 정할 수 있는 -D 옵션을 지원한다.

gcc -DDEBUG=1 foo.c

이 경우 foo.c에서 DUBUG 매크로의 값이 1로 정의도니다.

또한 매크로를 미정의 시켜주는 -U 옵션도 존재한다.

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