2 program의 핵심 구조

2.1 문법

C program의 전반적인 구조를 살펴보면, 특정한 문법에 따라 여러 텍스트 요소가 엮인 것을 알 수 있다.

• special word(특수어): 예제 1-1에서 본 #include, int, void, double, for, return과 같이 특별히 정의되어 변하지 않는 개념이나 기능을 의미한다.

이런 identifier(식별자)를 directive(지시어), keyword(키워드), reserved(예약어)라 부른다.

• punctuation(구두점): C 언어는 program 구조와 관련된 구두점을 다양하게 제공한다.

{...}, (...), [...], /*...*/, <...>. 참고로 <...>는 드문 경우에만 논리적으로 동일한 문장의 한 줄 안에서만 사용할 수 있다.

seperator(구분자, terminator)는 크게 두 가지가 있다. 바로 ','(comma)와 ';'(semicolon)이다.

위와 같은 punctuation은 c언어에서 의미가 다양한 경우가 많기 때문에, 처음 개념을 익힐 때는 혼란스러울 수 있다.

• comment(주석): / ... /(혹은 C++ 스타일인 //) 구문은 compiler에게 해당 내용이 주석임을 알려준다. 이에 따라 compiler는 해당 부분을 무시한다.

• literal(리터럴): 앞서 0,1,3,9.0,3E+25, .00007이나 "element %zu is %g, \tits square is %g\n" 같은 고정된 요소를 의미한다.

• identifier(식별자): program의 구성 요소에는 성격이 '이름' 같은 것들이 있다. 앞서 A, i, main, printf, size_t, EXIT_SUCCESS가 여기 해당된다.

A, i는 data object(variable)에 해당한다.

size_t는 object 종류를 지정하는 type에 해당한다.(_t라는 명명 규칙도 type을 나타낸다.)

main, printf는 function에 해당한다.

EXIT_SUCCESS는 constant에 해당한다.

• function(함수): 앞서 main 함수가 나온 문장들은, 코드에서 이 함수를 defined(정의)한 것이다.

다시 말해 int main(void)라는 declaration(선언문) 뒤에 {...}로 묶은 block(블록) 안에 이 function이 수행할 일을 나열했다. 이 내부 코드가 main 함수의 definition(정의)이다.

• operator(연산자)

2.2 declaration(선언)

program에서 어떤 identifier를 사용하기 전에는, 그 identifier가 무엇을 가리키는지 compiler에게 알려 주도록 declaration(선언)해야 한다. 이것이 identifier와 keyword의 차이다.

keyword는 language가 미리 defined했기 때문에, 따로 declaration하거나 다시 defined할 수 없다.

앞서 직접 declaration한 identifier를 보자.

int main(void);
double A[5];
size_t i;

세 declaration은 일정한 패턴을 따른다. identifier가 갖는 특정한 속성과 identifier가 함께 명시된다.

• main 뒤에는 소괄호(parenthesis) (...)가 나온다. 따라서 declaration 대상은 type이 int인 function이란 것을 알 수 있다.

• A 뒤에는 꺽쇠괄호(bracket) [...]가 나온다. 따라서 declaration 대상은 array다.(double type element 5개로 구성된다.)

• i의 type은 size_t다.

따라서 세 declaration에서 지정한 type은 각각 int, double, size_t에 해당한다.

size_t i;

i나 A는 data object(variable)이다. 이는 value(값)을 저장하는 이름 있는 요소라고 declaration한 것이다.

• 박스 전체가 object.

• 박스 종류가 type.

• 박스에 적인 이름이 label(identifier)이다.

다른 identifier인 printf, size_t, EXIT_SUCCESS와 관련된 declaration은 코드에 나오지 않는다. 이미 declaration된 상태이기 때문이며, .h파일에 저장되어 있다.(printf는 stdio.h, size_t와 EXIT_SUCCESS는 stdlib.h에 declaration되어 있다.)

program에서 identifier가 visible(보이는)한 영역을 scope(스코프)라고 한다. identifier는 declaration이 속한 scope에 binding된다.

declaration 자체는 대상의 특징을 표현하기만 할 뿐이고, 실제로 생성되지는 않는다. 따라서 같은 declaration을 여러 번 적는 것만으로는 문제가 발생하지 않는다.

하지만 어느 identifier에 서로 다른 declaration이 여러 개 나오면 문제가 생길 수 있으므로(compiler든 programmer든), 상충하는 declaration은 동시에 나올 수 없다.

앞서 예제에서 declaration에 따라 scope가 어떻게 나뉘었는지 보자.

int main(void) {
    // 선언문
    double A[5] = {
        [0] = 0.9,
        [1] = 2.9,
        [4] = 3.E+25,
        [3] = .00007, 
    };

    for (size_t i = 0; i < 5; ++i) {
        printf("element %zu is %g, \tits square is %g\n",
            i,
            A[i],
            A[i]*A[i]);
    }

    return EXIT_SUCCESS;
}

• data object A: main declaration 안에서만 보인다. 즉, A의 scope는 declaration을 시작하는 line부터, main {...} block을 닫는 line까지다.

• data object i: for 구문에 binding되어, for 구문의 {...} block 마지막 문장까지다.(visible range가 가장 좁다.)

• main: {...} block에 담겨 있지 않기 때문에, declaration부터 파일의 끝까지가 scope이다.

A, i와 같이 block({...})으로 제한된 scope를 block scope(블록 스코프)라고 부른다.

main처럼 block({...})으로 감싸지 않은 scope를 file scope(파일 스코프)라고 부르며, file scope에 속한 identifier를 흔히 global identifier라 부른다.

2.3 definition(정의)

declaration이 identifier를 지정했다면, definition(정의)는 구체적인 value나 object를 지정한다.

복잡한 과정이기 때문에, 지금은 일단 variable은 항상 initialization(초기화)한다고 가정하자. initialization은 declaration 뒤에 나올 수 있는 구문으로, declaration 대상인 object의 초깃값을 지정한다.

size_t i = 0;

위 구문은 variable i를 declaration하면서, 초깃값을 0으로 지정한 것이다. c 언어에서는 이렇게 declaration에 initializer(초기자, 이니셜라이저)를 함께 사용하는 방식으로 identifier에 object를 definition할 수 있다.

다시 말해 variable의 value를 저장할 공간을 제공하도록 compiler에 지시한다.

object는 initialization할 때 정의된다.

double A[5] = {
    [0] = 9.0,
    [1] = 2.9,
    [4] = 3.E+25,
    [3] = .00007,
};

위 구문은 여러 element로 구성되어 있다. A를 구성하는 5개 element의 값은 각각 9.0, 2.9, 0.0, 0.00007, 3.0E+25가 된다.

이런 방식을 designated initializer(지정 초기자)라고 부른다. 이렇게 initialization할 array element를 대괄호 안의 정수로 지정해서, 해당 element의 값을 initialization한다.

c언어에서 initializer로 지정하지 않은 element의 value는 default value인 0으로 설정된다. A에서는 0.0으로 지정되었다.

array의 index(위치) 시작이 1이 아닌 0부터 시작하는 점에 주의하자. array의 base point에서 떨어진 offset(오프셋, 정수 변위차를 의미한다.)을 나타낸다고 기억하면 쉽다.

function을 definition하려면 declarative statement(선언문) 뒤에 내용을 중괄호 { ... }로 묶으면 된다.

definition에 의해 i와 A는 object를 가리켰으며, main과 printf는 function을 가리켰다.

object나 function을 declaration하는 statement는 여러 번 나올 수 있지만, definition하는 statement는 고유해야 한다. 또한 program이 작동하려면 사용하는 function과 object는 반드시 definition되어 있어야 한다.

2.4 statement(문장)

앞서 의미적인 면에서 statement이라는 단어보다는 instruction에 가깝다고 언급했다.

statement(문장)은 지금까지 declaration된 identifier를 다루는 방법을 compiler에게 알려 준다. 앞서 본 예제에서 statement는 다음과 같이 구성되어 있다.

// ch01/getting-started.c
for (size_t i = 0; i < 5; ++i){
    printf("element %zu is %g, \tits square is %g\n",
        i,
        A[i],
        A[i]*A[i])
}

return EXIT_SUCCESS;

for과 return, ++ operator로 표현한 increment operation(증가 연산)이 등장했다. 이들은 앞서 살핀 printf function과는 다르다.

2.4.1 iteration(반복)

앞서 for문은 printf statement를 여러 번 실행하라고 compiler에게 알려 준다. c 언어에서 정의하는 domain iteration(도메인 반복)의 가장 간단한 형태이며, 크게 네 부분으로 구성된다.

0. for (...) 뒤에 {} block 안에 있는 반복할 코드를 loop body(루프 바디)라고 부른다. (...) 안에서는 각각을 ;로 구분한다.

1. loop variable(루프 변수)인 i의 declaration, definition, initialzation이 나온다.(size_t i = 0;) 이 중에서 initialzation은 실행 전 단 한 번만 실행된다.

2. loop condition인 i < 5는 for문을 지속할 기간을 지정한다. i가 5보다 작은 동안은 계속 반복한다고 compiler에게 전달한다.

3. ++i 문은 iteration마다 실행된다.(한 번씩 돌 때마다 1이 증가한다.)

i가 0, 1, 2, 3, 4라는 domain(도메인, 해결하고자 하는 영역)에 대해 반복하기 때문에, iteration마다 i에 특정한 value를 지정할 수 있다.

loop variable을 for문 앞에서 정의하기 보다는, for loop에서 반복 카운터라는 특수한 역할을 하도록 예제처럼 표기하는 편이 좋다.(즉, 꼭 for의 initialzation 부분에서 정의하라.)

2.4.2 function call(함수 호출)

function call(함수 호출)을 하면 현재 function(program 시작 시점에서는 main function)을 잠시 멈추고, 호출문으로 지정한 function으로 제어권을 넘긴다.

// ch01/getting-started.c
printf("element %zu is %g, \tits square is %g\n",
    i,
    A[i],
    A[i]*[i]);

앞서 printf function을 call(호출)했다. 함수 호출문에서는 함수 이름뿐만 아니라, 예제의 i, A[i], A[i]A[i]처럼 argument*(인수)도 함께 지장할 때가 많다. 이렇게 지정한 argument의 value은 call한 function으로 전달된다.

그런데 여기서 중요한 점은, i가 argument의 일부이지만, printf function에서 이 i의 value 자체를 바꿀 수 없다는 점이다. 이런 호출 방식을 call by value(값 호출)이라고 한다. (반대로 call한 function이 argument의 value를 변경할 수 있는 방식을 call by reference(참조 호출)이라고 한다.)

c언어는 call by reference를 지원하지 않는다. 대신 variable의 address를 알아내서, pointer로 전달하는 방식으로 제어권을 다른 function으로 넘기는 메커니즘을 사용한다.

2.4.3 function return

아래는 예제의 실행 과정, 즉 control flow(제어 흐름)을 시각적으로 표현한 것이다.

• main의 마지막 문장은 return이다. 이 statement는 main function을 원래 call된 자리로 돌려보낸다.

• main을 declaration할 때 int value를 return한다고 했으므로, return은 main을 call한 곳으로 int type value를 전달해야 하는 것이다.

예제에서는 EXIT_SUCCESS(=0)을 지정했다.

1. 현재 플랫폼에서 제공하는 process-startup(프로세스 구동) 루틴(그림의 왼쪽 박스)이, 사용자가 제공한 function인 main을 호출한다.

2. main은 다시 C library에서 제공하는 printf function을 호출한다.

3. printf를 실행하다가 return을 만나면, 제어권이 다시 main으로 넘어온다.

4. main이 return을 만나면 process-startup 루틴으로 다시 돌아간다.(이 과정이 program이 종료되는 것처럼 보이게 된다.)