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프로그래밍 언어 개론

출처 :  HYPERLINK "http://www.e-campus.co.kr" http://www.e-campus.co.kr

프로그래밍 언어는 말 그대로 프로그램을 작성하는데 쓰이는 언어로서, 우리가 컴퓨터에게 무엇인가를 하기를 원하는 작업을 언어로써 체계적으로 표기하는 것입니다. 예를 들어, 키보드로 입력한 숫자나 문자를 읽어 들이거나 사칙연산을 하거나, 혹은 프로그램의 결과물을 모니터나 프린터로 출력하는 등의 작업을 프로그래밍 언어를 사용하여 컴퓨터에게 명령할 수 있습니다. 지금 이 강좌를 보기 위해 키보드로 문자를 입력하고 마우스를 클릭하는 것도 하나의 명령입니다. 이러한 명령들은 모두 프로그래밍 언어로 짜여졌으며, 다만 여러분은 이미 짜여진 프로그램을 사용하는 것입니다. 프로그래밍 언어로 도대체 어떻게 이렇게 멋진 프로그램을 만들 수 있을까 하는 궁금증이 생기셨을지도 모르겠습니다. 

여러분은 이 강좌에서 프로그래밍 언어의 일반적인 지식을 배우게 됩니다. 이 강좌를 배웠다고 해서 당장 프로그램을 짤 수 있는 것은 아닙니다. 진짜 프로그램을 짤 수 있는 것은 프로그래밍 언어 그 자체입니다. 흔히 말하는 C/C++언어, JAVA언어 같은 것 말입니다. 본 강좌에서는 이러한 프로그래밍 언어의 전반에 대하여 학습하도록 하겠습니다.  

 다양한 프로그래밍 언어들이 제공하는 일반적인 특성 또는 고유의 구조나 특징들을 이해함으로써 특정 프로그램을 짜기 위해 필요한 적절한 언어를 선택할 수 있습니다.  

프로그래밍 언어들이 갖고 있는 공통적인 특성을 파악하여 새로운 프로그래밍 언어를 쉽게 배울 수 있습니다.  

 이 강좌는 초보자를 위한 강좌이지만, 하나 이상의 프로그래밍 언어를 미리 접해본 분들에게 적극 권장합니다. 그러나 혹시 이 강좌를 통해 프로그래밍 언어를 처음 접해보는 분이라 해도 강좌 자체가 초보자용이기 때문에 미리 겁내실 필요는 없으며, 다만 C/C++나 PASCAL같은 프로그래밍 언어 책을 옆에 끼고 수강하시면 훨씬 나은 학습 효과가 기대되리라 생각합니다.  

  학습자님, 이제 프로그래밍 언어 과정에 대해 아시겠죠? 

이번에는 왼쪽의 메뉴바에서 학습구성을 눌러 본 과정에서 학습할 내용에 대해 살펴 보세요. 

학습자님은 프로그래밍 언어 과정을 통해 프로그래밍 언어에 대한 대략적인 내용과 함께 구문, 변수, 자료형, 수식과 할당문, 제어구조, 부프로그래밍, 추상 자료형, 예외 처리, 객체지향형 프로그래밍 등에 대해 배우겠습니다.

학습내용은 다음과 같이 총 10장으로 구성됩니다. 

1장 프로그래밍 언어 기초 이번 장에서는 

1절 프로그래밍 언어란 무엇인가? 

2절 프로그래밍 언어의 평가기준 

3절 컴파일러 언어와 인터프리터 언어 

4절 주요 프로그래밍 언어 

2장 구문 정의와 구문 표현 이번 장에서는 

1절 구문 소개 

2절 구문 표현 방법 

3장 변수 이번 장에서는 

1절 변수 기초 

2절 바인딩 

3절 형 검사 

4절 변수의 실효 범위와 초기화 

4장 자료형  이번 장에서는 

1절 기본 자료형 

2절 문자열 

3절 배열형 

4절 레코드형 

5절 유니언형 

6절 집합형 

7절 포인터형 

5장 수식과 할당문 이번 장에서는 

1절 수식 

2절 할당문 

6장 제어구조 이번 장에서는 

1절 복합문 

2절 선택문 

3절 반복문 

7장 부프로그램 이번 장에서는 

1절 부프로그램의 소개 

2절 매개변수 전달기법 

3절 부프로그램의 기억 장소 할당 

4절 부프로그램의 부가적 기능들 

8장 추상 자료형 이번 장에서는 

1절 추상화의 개념 

2절 캡슐화의 개념 

3절 추상 자료형의 소개 

4절 C++의 'CLASS' 

9장 예외 처리 이번 장에서는 

1절 예외 처리 

2절 C++의 예외 처리 

10장 객체지향형 프로그래밍 이번 장에서는 

1절 객체지향형 프로그래밍 소개 

2절 객체지향형 프로그래밍의 구성 요소 

3절 C++에서의 객체지향형 프로그래밍 

  학습자님, 본 과정의 학습내용이 어떻게 구성되어 있는지 아시겠죠? 

이번에는 왼쪽의 메뉴바에서 사용법을 클릭하여 학습진행 방법 및 학습보조 버튼의 사용법을 살펴 보세요.

제1장 프로그래밍 언어 기초

< 학습목표 >

- 프로그래밍 언어의 의미를 이해할 수 있습니다.  

- 프로그래밍 언어를 평가하고 적절한 프로그래밍 언어를 선택할 수 있습니다. 

- 컴파일러 언어와 인터프리터 언어의 특징을 이해할 수 있습니다.  

< 학습내용 >

- 프로그래밍 언어란 무엇인가? 

- 프로그래밍 언어의 평가기준 

- 컴파일러 언어와 인터프리터 언어 

- 주요 프로그래밍 언어 

1. 프로그래밍 언어란 무엇인가?

 (1) 프로그래밍 언어  

이 강좌 안내에 나와 있는 바와 같이, 프로그래밍 언어란 프로그램을 작성하는데 쓰이는 언어로서, 우리가 컴퓨터에게 무엇인가를 하기를 원하는 작업을 언어로써 체계적으로 표기하는 것입니다. 

우리가 쓰고 있는 한글이나 다른 모든 나라의 언어들은 고급 언어입니다. 사람의 생각과 감정을 자유자재로 표현할 수 있기 때문입니다. 그러나 컴퓨터는 매우 지능이 낮은 기계입니다. 우리들이 일상적으로 사용하는 언어들을 알아 듣는다는 것은 매우 사치스러운 일이지요. 실제로 컴퓨터가 알아들을 수 있는 언어는 사실 언어가 아닙니다. 0과 1이라는 숫자로 조합된 하나의 기호체계 입니다. 이것을 기계어라고 합니다. 이러한 기계어를 일일이 조합하는 일은 매우 어려울 뿐더러, 기계어를 가지고 요즘 같은 복잡한 프로그램을 짠다는 것은 매우 불가능한 일입니다. 그래서, 사용자가 보다 친숙한 언어, 즉 일상적으로 사용하는 언어와 비슷한 언어를 가지고 프로그램을 짤 수 있게 하도록 한 것이 프로그래밍 언어입니다. 

그렇다면, 컴퓨터가 이 언어들을 어떻게 알아들을 수 있을까 하는 의문이 생기셨을 것으로 생각됩니다. 그 점은 여러분이 전혀 걱정하실 일이 아닙니다. 왜냐하면 프로그래밍 언어마다 여러분이 짠 프로그램을 기계어로 번역해 주는 고유의 번역기가 있으니까요. 이 부분에 대해서는 1.3절에서 다시 언급하도록 하겠습니다. 

(2) 프로그래밍 언어를 배우는 이유 

프로그래밍 언어를 배우는 것에는 어떤 의미가 있을까요? 간단하게 한번 살펴 봅시다.

- 자신의 아이디어를 프로그래밍 언어로 표현할 수 있는 능력을 길러 줍니다.  

- 특정 프로그램에 적합한 프로그래밍 언어를 선택할 수 있는 지식을 갖게 해 줍니다. 

- 새로운 언어를 쉽게 배울 수 있습니다.  

- 여러 프로그래밍 언어들이 제공하는 다양한 구조나 특징들을 이해함으로써 적절한 구조를 선택, 구현할 수 있게 하여 보다 좋은 프로그램을 설계할 수 있습니다. 

- 프로그래밍 언어의 개념을 잘 적용시킴으로써 컴퓨팅에 관한 시야가 넓어집니다. 

(3) 프로그래밍 영역 

프로그래밍 언어마다 각 영역에서 쓰이는 용도가 다릅니다. 

각 영역에서 어떤 프로그래밍 언어가 쓰이는지 예를 들어보겠습니다. 

영역                            프로그래밍 언어 

플랫과학기술(수치계산용)        FORTRAN, ALGOL60 

비지니스용 COBOL 

인공지능용 LISP, PROLOG 

시스템 프로그래밍용 PL/S, BLISS, ALGOL, C/C++  

특수 목적용 GPSS (시뮬레이션을 위한 언어)  

2. 프로그래밍언어의 평가 기준

어느 프로그래밍 언어건 간에 완벽함을 갖춘 언어는 드뭅니다. 그래서 프로그래밍 언어를 평가하는 기준이 있고, 이러한 기준에 따라 자신의 프로그램에 가장 적합한 프로그래밍 언어를 찾는 것입니다. 이제부터 프로그래밍 언어를 어떤 기준으로 평가하는지 알아봅시다. 

(1) 읽기 쉬움(Readability) 

단순성 : 

프로그램 내의 구문 자체가 복잡하지 않고 기본 골격이 너무 크면 안됩니다.

직교성 : 

프로그래밍 언어의 기본적인 기능과 특성이 각각 별도로 이해 가능해야 합니다. 즉, 여러 기능이 얽히면 안되고 그들이 조합됐을 때, 상호간의 작용이 자유로워야 합니다.

문법고려사항 :

사용자 정의 형식, 키워드, 예약어 등이 잘 정리되어 있어야 하고, 문법의 형식과 의미가 잘 맞아야 합니다.

(2) 쓰기 쉬움 

프로그램을 작성하는데 있어, 프로그래밍 언어가 얼마나 쉽게 사용될 수 있는가에 대한 정도를 가리킵니다. 앞서 언급한 프로그래밍 영역에 따라 선택되어지는 언어가 달라집니다. 다음은 쓰기 쉬움에 영향을 주는 요소입니다. 

단순성과 직교성 :

읽기 쉬움에서의 내용과 같습니다.  

추상성 :

세부사항에 대하여 알 필요 없이 복잡한 구조나 연산을 정의하고 사용하는 것입니다.  

표현성 :

얼마나 자연스럽게 문제 해결 전략을 프로그램 구조로 나타낼 수 있는지에 대한 척도입니다.  

(3) 신뢰성(Reliability) 

프로그램이 모든 조건 하에서 에러 없이 자신의 명시사항을 수행하는 것을 말합니다. 다음은 프로그램의 신뢰성에 영향을 주는 몇 가지 언어의 특징들을 나열한 것입니다. 

 타입 체킹 :

 예외 처리 :

 Aliasing :

 읽기 쉬움과 쓰기 쉬움 :

신뢰성에 영향을 주는 요인에 관한 본격적인 내용은 나중에 구체적으로 배울 예정이므로, 여기서는 설명을 생략하도록 하겠습니다. 

3. 컴파일언어와 인터프리터 언어

앞에서 잠시 '프로그래밍 언어로 짠 프로그램을 컴퓨터가 어떻게 알아듣고 실행할 수 있을까'에 대한 언급이 있었죠? 그 때, 여러분이 짠 프로그램을 기계어로 번역해 주는 번역기가 있다고 했었습니다.

그것이 바로 컴파일러와 인터프리터라는 것입니다. 컴파일러와 인터프리터는 각각 여러분이 짠 프로그램을 기계어로 번역하여 실행할 수 있게 해주는 것입니다. 

그러나 컴파일러와 인터프리터는 다른 방식으로 프로그램을 실행합니다. 

이제 컴파일러와 인터프리터에 대한 내용을 배우겠습니다. 

내용을 습득하신 후에는 두 번역기의 차이점을 중심으로 기억하시기 바랍니다.

(1) 컴파일러(Compiler) 언어  

컴파일이란, 한 언어를 동등한 의미를 갖는 다른 언어로 바꾸는 것을 의미합니다. 컴파일러에 의해 고급 언어를 저급 언어인 기계어로 번역하여 객체 모듈(Object Module)을 만들고, 이 모듈을 링크, 로드하여 실행시키는 것입니다. 컴파일러 언어에는 FORTRAN, PASCAL, C/C++등이 있습니다. 

다음 그림은 컴파일 과정을 나타낸 것입니다. 그림의 화살표 방향을 따라 가면 컴파일의 의미를 보다 잘 이해하실 수 있습니다. 

[컴파일러 수행 과정]  

 INCLUDEPICTURE "http://www.e-campus.co.kr/vmc/904/01/img/pl01_10_g01.gif" \* MERGEFORMATINET 

컴파일러 언어의 장점 

-  번역된 목적 코드(Object Code) 저장이 가능합니다.  

-  컴파일한 후에는 그대로 재실행이 가능하므로 재사용하는 프로그램인 경우, 한번 컴파일한 후에는 다시 빠르게 실행할 수 있으므로 실행시간이 오히려 빨라질 수 있습니다. 

컴파일러 언어의 단점 

 -  기계어로 변환하는데 많은 시간이 소요됩니다. 

 -  한 줄의 원시 프로그램이 때로는 몇 백 줄의 기계어로 번역되므로 메모리 낭비가 발생할 수 있습니다

(2) 인터프리터(Interpreter) 언어  

인터프리터는 컴파일과는 다르게 중간과정 없이 원시 프로그램을 직접 저급 언어로 바꾸면서 동시에 실행하는 것입니다. 번역 과정에 있어, 고급 언어를 중간 코드까지만 번역해 그것을 소프트웨어 인터프리터로 실행하는 것입니다. 이 때, 기계어 프로그램이 만들어지는 것이 아니라, 각 중간 코드의 기능에 해당되는 서브루틴을 호출하면서 수행이 이루어지는 것입니다. 인터프리터 언어에는 LISP, PROLOG등이 있습니다. 

다음 그림은 인터프리트 과정을 나타낸 것입니다. 컴파일러 수행과정과 비교해 볼 때, 무척 간단한 것을 보실 수 있을 것입니다. 

[인터파일러 수행 과정]  

 INCLUDEPICTURE "http://www.e-campus.co.kr/vmc/904/01/img/pl01_12_g01.gif" \* MERGEFORMATINET 

인터프리터 언어의 장점 

-  실행을 위해 완전한 기계어 번역을 기다리지 않고 필요시 그 때 그 때 실행되므로 대화

식 프로그램에 좋습니다. 

-  프로그램이 실행될 때까지 원시 원어 형태를 유지하므로 기억 장소가 많이 필요하지 않습니다.  

인터프리터 언어의 단점 

- 재실행 시 매번 원시 프로그램을 디코딩(Decoding)하고 처리해야 하므로 시간이 많이 걸립니다. 

4. 주요프로그래밍언어

이 절에서는 주요 프로그래밍 언어에 대한 간략한 특징들을 살펴보고자 합니다. 

여기서 다루는 내용들은 가볍게 읽고 넘어가시면 됩니다. 

FORTRAN  

FORTRAN 은 최초의 고급 프로그래밍 언어로, 미국 IBM에서 J.Backus 등에 의해 개발된 것으로서, 과학과 공학 등의 분야에서 널리 사용되고 있습니다.  

ALGOL 60  

ALGOL 60 은 국제 표준 기구인 ALGOL 위원회에서 제정된 언어로서, 최초로 정연한 언어이론을 바탕으로 만들어진 언어입니다. 문법 구조가 BNF에 의해 기술된 최초의 언어이며, 수치 계산용으로 쓰입니다.

COBOL  

COBOL 은 상업적 자료처리를 위해 만들어진 언어로서, 많은 양의 자료 처리와 간단한 계산 수행을 할 수 있고, 언어의 문법 구조가 영어 구문과 비슷하여 프로그램을 이해하기 쉽습니다. 

BASIC  

BASIC 은 시분할(Time sharing)의 시초 언어로서, 배우기 쉽고 매우 적은 메모리양만으로도 프로그램 구현이 가능하기 때문에 초기 마이크로 컴퓨터 시대에 프로그래머들로부터 많은 인기를 얻었던 언어입니다. 

PASCAL  

PASCAL 은 프로그래밍 교육용 언어로서, 프로그래밍 언어의 문법 구조가 다양하고 이해하기 쉽습니다. 

C/C++  

C 는 벨 연구소에서 운영체제를 디자인 하는 가운데 탄생한 언어로, 프로그래머 지향적 언어입니다. 프로그램 설계가 체계적이고 이식성이 좋으며 강력함과 유연성을 갖춘 언어입니다. C++ 는 C 언어를 객체 지향형 프로그래밍(Object-Oriented Programming)에 접목시킨 언어로서 기존 C가 갖고 있는 특징을 기반으로 하고 있습니다. 

LISP  

LISP 은 최초의 함수형 프로그래밍 언어로서, 리스트(List) 처리 및 인공지능 분야의 연구와 구현에 널리 이용되고 있습니다. 

ADA  

ADA 는 매우 강력한 범용 언어로서, 군사용 내장 시스템을 위하여 병렬 처리, 예외 처리, 프로그램의 유지 보수 능력 제고에 역점을 두고 만든 언어입니다. 

< 정리해봅시다 >

< 연습문제 >

1. 프로그래밍 언어란 무엇인지 간단히 설명해 보세오.

프로그래밍 언어란 프로그램을 작성하는데 쓰이는 언어로서, 우리가 컴퓨터에게 무엇인가를 하기를 원하는 작업을 언어로써 체계적으로 표기하는 것입니다. 

2. 프로그래밍 언어의 평가 기준 세 가지는 무엇입니까?

읽기 쉬움, 쓰기 쉬움, 신뢰성 

3. 컴파일러 언어와 인터프리터 언어의 가장 큰 차이점은 무엇일까요?

컴파일러 언어는 다단계의 구문 분석 및 코드 생성기를 이용하여 원시 프로그램을 기계어로 번역하는 반면, 인터프리터는 이러한 중간 과정 없이 코드를 한 줄 한 줄 읽어 내려가면서 곧바로 기계어로 번역합니다. 

제2장 구문정의와 구문표현

< 학습목표 >

- 프로그래밍 언어의 문법 체계와 구조를 설명할 수 있습니다. 

- 프로그래밍 언어를 이용하여 체계적으로 프로그램을 구성할 수 있는 기초 지식을 얻을 수 있습니다. 

< 학습내용 >

- 구문 소개 

- 구문 표현 방법 

1. 구문소개

구문(Syntax)과 의미(Semantics) 

프로그램은 여러 문장들로 이루어져 있고 이러한 문장은 여러 개의 단어들로 이루어져 있습니다. 이러한 단어들은 어떤 일정한 규칙에 의해서 문장으로 표현되는데, 이러한 규칙을 구문 혹은 문법이라고 합니다. 문법에는 프로그래밍 언어의 수식(Expressions), 문(Statement), 그리고 프로그램 단일체(unit)의 형태 등이 포함됩니다. 

또한 프로그래밍 문법이 나타내고 있는 뜻을 의미라고 합니다. 

다음은 C 언어의 if 문장입니다. 다음을 예로 하여 문법과 의미의 차이를 이해해 봅시다. 

if(<expr>) <statement> 

위의 식 자체가 문법입니다. 위의 식이 내포하고 있는 뜻은 <expr>의 현재 값이 참이면, <statement>를 수행하라는 것입니다. 이것이 의미입니다. 

프로그래밍 언어의 문법과 의미에 대해서 기본적으로 이해하셨으리라고 생각됩니다. 다음 절부터는 좀 더 구체적이고 깊이 있는 구문 체계에 대해 알아보겠습니다. 

2. 구문표현의 방법

(1) BNF(Backus-Naur Forum) 

BNF는 1950년대 후반 John Nackus 와 Noam Chomsky에 의해 소개된 문법 표현 방법으로, 프로그래밍 언어를 구조적으로 표기하는 방법이며, 문법 구조를 나타내는 메타 언어(Meta Language)입니다. 

다음 예제는 정수를 표현하는 BNF입니다. 

<integer>→<sign><digit-sequence>|<digit-sequence>

<sign>→ +|-

<digit-sequence>→<digit><digit-sequence>|<digit>

<digit>→ 1|2|3|4|5|6|7|8|9|0  

위 예제에서, '<', '>', '→', '|' 은 언어의 사양을 표현하는데 사용된 기호입니다. 예를 들어, '→'은 '다음과 같이 정의된다'라는 것을 의미하고 '|'은 '혹은(or)'을 의미합니다. 꺽쇠 괄호에 표현된 것들은 비종단 기호(Non-Terminal Symbol)라고 하고, 문장의 추상적인 구조를 나타냅니다.

이러한 비종단 기호는 식의 왼편과 오른편에 자유롭게 나타날 수 있으며, 최종적으로 '+', '-', '1~0' 같은 종단 기호(Terminal Symbol)로 표현될 수 있습니다. 종단 기호는 식의 오른편에만 나타나며, 실제적으로 식을 구성하는 요소입니다. 이를 테면 위의 규칙에 의해 다음과 같이 정수를 나타낼 수 있습니다.

'3', '123', '-123', '+123'  

(2) EBNF(Extended Backus-Naur Form)  

EBNF는 확장된 BNF로, BNF에

 선택(Option)을 의미하는 대괄호(Braces)

 반복을 의미하는 중괄호(Brackets)

 다중 선택 사양을 의미하는 소괄호(Parentheses) 

를 추가한 것입니다. 또한

 1 번 이상의 반복을 의미하는 '+'

 0 번 이상의 반복을 의미하는 '*'

기호(지수형태로 나타납니다)가 추가되었습니다.

앞서 배운 예제를 EBNF로 나타내어 보겠습니다. EBNF로 표현할 수 있는 방법은 여러 가지가 있습니다. 따라서, 다음의 예가 반드시 정답은 아님을 유의하시기 바랍니다. 제가 바꿔 놓은 부분을 굵게 표시하였습니다. 아래 예에는 EBNF로 바꿀 수 있는 부분이 더 있습니다. 여러분께서 직접 바꿔 보고 확인하시기 바랍니다. 

<integer>→<sign><digit-sequence>|<digit-sequence>

<sign>→ +|-

<digit-sequence>→ {digit}+

<digit>→ 1|2|3|4|5|6|7|8|9|0  

또다른 예시보기

① <integer>→ [<sign>]<digit-sequence>

② <integer>→ [(+|-)] <digit-sequence>

③ <integer>→ [<sign>]{<digit>}+

④ <integer>→ [(+|-)]{<digit>}+

(3) 파싱과 파스트리 

파스(parse)'라는 단어가 갖고 있는 사전적 의미는, '(문장, 어구의) 품사 및 문법적 관계를 설명하다, (문장을) 해부[분석]하다' 입니다. 이와 같이, 프로그램을 구성하고 있는 문장들의 문법적으로 맞는 것인지 아닌지를 분석하는 과정을 '파싱(Parsing)' 이라고 합니다. 또한, 파싱 과정을 트리 구조를 이용하여 표현한 것을 '파스트리(Parse Tree)'라고 합니다. 

이제 아래의 단문을 BNF와 파스트리로 표현하여 봅시다. 

A := B * (A + C)  

 BNF 표현법

<assign>→ <id>:= <expr>

<id>→ A | B | C 

<expr>→ <id>+ <expr> 

 |<id> * <expr>

|(<expr>)

|<id>  

 위의 BNF 표현법에 의해서 단문을 표현하면 다음과 같이 됩니다. 

<assign>⇒ <id>:= <expr> 

 → A := <expr>

→ A := <id> * <expr>

→ A := B * <expr>

→ A := B * (<expr>) 

→ A := B * (<id>+ <expr>) 

→ A := B * ( A + <expr> )

→ A := B * ( A + <id>) 

→ A := B * ( A + C ) 

 파스트리 

 INCLUDEPICTURE "http://www.e-campus.co.kr/vmc/904/02/img/pl02_06_g01.gif" \* MERGEFORMATINET 

(4) 모호성(Ambiguity) 

같은 문법에 대하여 파스트리가 두 개 이상 생성되면 모호하다(ambiguous)고 합니다. 다시 말해서, 모호하지 않은 문법의 파스트리는 오직 하나만 존재하는 것입니다. 특히, 연산자의 우선순위가 고려되어야 하는 경우에는 모호성이 있어서는 안됩니다. 

다음은 모호한 문법에 대한 예제입니다. 

A := B + C * A  

위의 식은 B와 C를 먼저 더하고 A를 곱하는가, 아니면 C와 A를 곱하고 B를 더하는가에 따라 결과가 달라집니다. 따라서, 이를 나타내는 파스트리는 두 개가 존재하게 됩니다.

- 파스트리 (1)

 INCLUDEPICTURE "http://www.e-campus.co.kr/vmc/904/02/img/pl02_07_g01.gif" \* MERGEFORMATINET 

모호성과 관련한 일반적인 규칙들 

 연산자 결합도(Associativity of Operator)

프로그래밍 언어 대부분이 좌결합이지만, 지수승(Exponentiation)은 우결합입니다.

예를 들어 보겠습니다. 

A := A + B + C  

위의 예는 왼쪽부터 차례로 더합니다. 

그렇지만 아래의 예는 오른쪽부터 계산합니다.

(프로그래밍 언어에서 지수승 연산자는 보통 '**' 로 표현합니다.) 

A := A ** B ** C  

 if-then-else문

if-then-else문이 중첩되게 되면, if와 else간에 모호성이 나타나게 됩니다. 

예를 들어봅시다. 

if(<expr>) then <statement>

if(<expr>) then <statement>

else <statement>  

여기에서 else가 첫 문장에 있는 if와 한 쌍인지, 둘째 문장에 있는 if와 한 쌍인지 모호합니다. 

이러한 경우에는 통상적으로 else에 가장 가까운 if와 한 쌍인 것으로 봅니다.

(5) 구문도(Syntax Graph) 

고등학교 수학 교과 과정에 순서도라는 것이 있습니다. 순서도는 알고리즘을 그림으로 표현한 것입니다. 이와 마찬가지로, BNF와 동일하게 문장의 구문을 표현하는 방법으로 구문도라는 것이 있습니다. BNF에서 정의된 규칙 등을 이용하여 구문도를 만들 수 있습니다. 

비종단 기호는 사각형으로 표현하고 종단 기호는 원이나 타원으로 표현합니다. 그리고, 이러한 원이나 사각형은 화살표로 연결이 됩니다. 

앞서 BNF와 EBNF로 표현하였던 정수를 구문도로 표현해 보겠습니다. 

[ 기호 없는 정수형] 

  INCLUDEPICTURE "http://www.e-campus.co.kr/vmc/904/02/img/pl02_09_g01.gif" \* MERGEFORMATINET 

[ 기호 있는 정수형] 

 INCLUDEPICTURE "http://www.e-campus.co.kr/vmc/904/02/img/pl02_09_g02.gif" \* MERGEFORMATINET 

그 밖에 변수 선언과 if-then-else문장을 다음과 같은 구문도로 표현할 수 있습니다. 

[변수 선언]  

 INCLUDEPICTURE "http://www.e-campus.co.kr/vmc/904/02/img/pl02_09_g03.gif" \* MERGEFORMATINET 

[ if-then-else문] 

 INCLUDEPICTURE "http://www.e-campus.co.kr/vmc/904/02/img/pl02_09_g04.gif" \* MERGEFORMATINET 

< 정리해봅시다 >

< 연습문제 >

다음과 같은 문법을 살펴봅시다. 

<S>→ <A> a <B> b

<A>→ <A> b | b

<B>→ a<B> | a  

1. 다음 문장 중 위의 문법으로 표현될 수 있는 것은 무엇입니까? 

① baab 

② bbbab 

③ bbaaaaa 

④ bbaab 

답은 ① 입니다. 

<S>→ <A> a <B> b

→ b a <B> b

→ b a a b  

2. 위의 문제의 답을 유도하는 파스트리를 그려보십시오.

 INCLUDEPICTURE "http://www.e-campus.co.kr/vmc/904/02/img/pl02_11_g01.gif" \* MERGEFORMATINET 

제3장 변수

< 학습목표 >

- 변수의 기초 개념에 대해 설명할 수 있습니다.  

- 바인딩 개념과 실효 범위를 이해함으로써, 프로그램 내에서 변수가 언제, 어떻게 사용되는지를 적용할 수 있습니다.  

< 학습내용 >

- 변수 기초  

- 바인딩  

- 형 검사 

- 변수의 실효 범위와 초기화 구문 소개 

1. 변수기초

(1) 이름(Name) 

프로그램에서의 이름이란, 프로그램 내에서 개체(Entity)를 정의하는데 사용되는 문자들의 집합, 즉 문자열(String)로서, 식별자(Identifier)라고 부르기도 합니다. 

프로그래밍 언어에서 이름을 짓는 방법은 프로그래밍 언어 고유의 규칙에 따르게 됩니다. 여기서 규칙이란, 이름의 길이, 이름을 짓는데 사용되는 문자나 기호, 대소문자 사용 규칙 등을 일컫습니다. 특히 대소문자 사용 규칙은, 똑같은 문자나 기호로 이루어진 이름일지라도 대문자가 사용되었느냐, 소문자가 사용되었느냐에 따라 다른 이름으로 인식하는 것을 말하며, 이를 가리켜 'Case Sensitive' 하다고 합니다. 

다음은 같은 문자로 이루어진 다양한 이름의 모양입니다. 

- APPLE, Apple, apple 

- RedApple, Red_Apple, redapple, REDAPPLE 

이름을 결정할 때에는 읽기 쉽게 하는 것이 좋습니다. 여러분은 위 예의 두 번째 문장에 있는, red apple을 표현한 변수의 이름 중에 가장 보기 좋아 보이는 것이 무엇입니까? 대부분 Red_Apple이 가장 좋아 보인다고 하실 겁니다. 이와 같이, 보기 좋아 보이는 것이 읽기 쉽고 좋은 이름의 모양입니다

(2) 특수어(Special Words) 

특수어는 프로그램 내에서 특별한 의미를 갖고 사용되는 단어들을 말합니다. 이들은 프로그램을 보다 읽기 쉽게 해줍니다. 특수어에는 크게 키워드(Keyword)와 예약어(Reserved Word) 의 두 가지가 있습니다.

키워드

키워드는 어떤 문맥에서만 특별한 의미를 지니고 있는 단어입니다. 키워드를 사용하는 FORTRAN의 예를 들어 보겠습니다. 

REAL APPLE 

REAL = 3.4  

위의 예에서 보시는 바와 같이, 'REAL'이라는 단어 뒤에 이름이 오면, 'REAL'은 실수형을 의미하는 키워드입니다. 그러나, 'REAL' 다음에 연산자가 오면 변수로 간주됩니다. 이 경우 특정 단어가 프로그램의 문맥에 따라 서로 다른 용도로 쓰이기 때문에 애매할 수 있고, 따라서 '읽기 쉬움'에 문제가 있다고 볼 수 있습니다.

예약어

예약어는 변수의 이름으로 쓰일 수 없는 프로그래밍 언어의 특별한 단어입니다. 이 점이 키워드와 예약어의 차이입니다. 키워드와 예약어의 차이를 예와 함께 이해해 봅시다.

REAL INTEGER (FORTRAN) → ○ INTEGER APPLE (FORTRAN) → ○ 

int APPLE (C) → ○ 

float ORANGE (C) → ○ 

int float →Ⅹ

첫째, 둘째 문장은 실수형 INTERGER와 정수형 APPLE 이라는 이름의 변수를 선언한 것입니다. 

셋째, 넷째 문장은 각각 정수형, 실수형 변수를 선언한 것이며, 'int'나 'float'는 예약어로서, 변수의 이름이 될 수 없습니다.

(3) 변수(Variables) 

컴퓨터 프로그래밍 언어에서의 변수의 의미는, 컴퓨터 기억 장소를 가리키는 추상적인 표현방법입니다. 즉, 기억 장소의 주소를 상징화한 것입니다. 변수에 대한 정의가 아직까지 정확하게 이해되지 않는 분들이 많으시리라 생각됩니다. 

다른 예에 빗대자면 이렇습니다. '동경 135˚, 북위 37.5˚'가 메모리 주소라면, '한국(Korea)'은 이를 나타내는 변수(정확히 변수의 이름)가 되는 것입니다. 

변수는 다음과 같은 속성을 가지고 있습니다. 

 이름(Name) 

  변수의 호칭입니다.

 주소(Address) 

  변수와 연결되는 메모리의 위치를 말합니다. 이 때, 변수가 나타내는 메모리 위치는 항상 동일하지 않습니다. 즉, 동일한 이름을 가진 변수라도 이 변수가 각기 다른 용도로 쓰일 때에는 서로 독립적인 개체로 보고, 이들 변수가 가리키는 주소도 서로 다르게 됩니다. 변수의 주소를 가끔 'l-value'라고도 하는데, 이는 할당문에서 변수가 좌변에 위치한다는 사실에 기인한 것입니다.

 값(Value) 

  변수의 값은 변수와 연결된 메모리 위치에 담겨 있는 내용을 말합니다. 'Apple'이라는 이름을 가진 변수의 메모리 주소가 '00DE'이고, 이 공간에 저장된 내용이 실수 '3.41'라고 하면, 이것이 바로 변수의 값이 되는 것입니다. 변수의 값을 가리켜 'r-value'라고도 합니다.

 자료형(Type)  

  변수의 자료형은 변수가 가질 수 있는 값의 범위와 적용 가능한 연산자의 집합을 결정합니다. 예를 들어, C 언어에서 'int' 자료형은 -32768~32767 까지의 범위에 해당하는 값을 가질 수 있으며, 사칙연산 및 라이브러리 함수로 제공되는 연산자를 사용할 수 있습니다. 

2. 바인딩

(1) 바인딩의 개념 

바인딩이란 개체(Entity)와 속성(Attribute) 사이 또는 연산자와 상징기호(Symbol) 사이의 관계를 명시해 주는 것을 말하며, 이러한 바인딩이 일어나는 때를 바인딩 시간(Binding Time)이라고 합니다. 

 바인딩이 발생하는 상황 

- 언어 설계(Language Design) 시 

- 언어 구현(Language Implementation) 시

- 컴파일(Compile) 시

- 링크(Link) 시

- 로드(Load) 시

- 실행(Runtime) 시  

 바인딩의 종류 

- 변수에 대한 속성 바인딩

- 형(Type) 바인딩 

- 장소(Storage) 바인딩 

바인딩 종류에 따른 내용은 곧 자세히 다루도록 하겠습니다.

(2) 변수에 대한 속성 바인딩 

프로그램 수행 시간 이전에 바인딩이 결정되어서 프로그램 수행 중에는 변하지 않는 것을 정적 바인딩(Static Binding)이라고 하고, 프로그램이 수행되는 동안 바인딩이 일어나서 바인딩의 변화가 일어날 수 있는 것을 동적 바인딩(Dynamic Binding)이라고 합니다. 

가상적인 메모리 환경에서 변수를 기억 장소 공간에 실제 바인딩하는 작업은 복잡합니다. 왜냐하면, 기억 장소 공간이 위치하는 주소 공간의 페이지(Page)나 세그먼트(Segment)가 프로그램이 실행되는 동안 메모리 유효 범위를 넘나들 수 있기 때문입니다. 그러므로, 그러한 변수들은 반복적으로 바인딩하고 바인딩을 해제하는 작업이 필요합니다. 하지만 이러한 바인딩은 컴퓨터 하드웨어가 담당하기 때문에, 프로그램이나 프로그램 사용자들은 이를 전혀 고려하지 않아도 됩니다. 

따라서, 앞으로는 정적 바인딩과 동적 바인딩을 구별하는데 초점을 두겠습니다. 

(3) 형 바인딩(Type Binding) 

변수는 프로그램 내에서 참조되기 전에, 특정한 자료형과 바인딩 되어야 합니다. 형 바인딩에서는 자료형이 명시되는 방법과 바인딩 시간이 중요하게 고려됩니다.

변수 선언(Variable Declarations) 

명시적 선언(Explicit Declaration)은 프로그램 내에서 변수의 이름과 그에 해당하는 특정 자료형을 명시하는 방법입니다. 이에 반해 묵시적 선언(Implicit Declaration)은 선언문을 사용하지 않고 사전에 정한 자료형으로 변수를 연결시키는 방법입니다. 

대부분의 언어에서는 명시적 선언 방법을 사용하여, 프로그램 내에서 변수에 대한 선언문을 사용하고 있습니다. 그러나 FORTRAN, BASIC 등은 묵시적인 선언 방법을 사용합니다. 

예를 들어 FORTRAN에서는 I, J, K, L, M, N 으로 시작하는 변수는 기본적으로 정수형(INTEGER)으로, 이들 이외의 변수는 실수형(REAL)인 것으로 간주합니다. 

두 선언 모두 자료형에 대해 정적 바인딩을 수행합니다. 

동적 형 바인딩(Dynamic Type Binding) 

동적 형 바인딩은 변수의 자료형이 선언문에 의해 결정되는 것이 아니라, 할당문에서 할당되어지는 값에 의해 결정되는 것을 말합니다. 

APL과 SNOBOL4 언어는 동적 형 바인딩을 지원하는데, 같은 이름을 가진 변수라 할지라도 

LIST ← 10.2  (1)

LIST ← 47  (2)  

(1)과 같이 할당된 값이 실수인 경우에는 LIST는 실수형이 되고, (2)와 같이 할당된 값이 정수인 경우에는 정수형이 됩니다. 이와 같이 하나의 변수에 대하여 여러 가지 형 바인딩이 가능합니다. 

동적 형 바인딩을 지원하는 언어들은 정적 형 바인딩을 제공하는 언어들에 비해 융통성 있는 프로그래밍이 가능합니다. 그러나 자료형에 대한 오류 발견이 어렵고 수행시간이 오래 걸린다는 단점이 있습니다. 

형 추론(Type Inference) 

형 추론은 프로그래머가 변수의 자료형을 따로 명시하지 않아도 수식(Expression)을 통해 자료형을 추론하여 결정하는 것을 말합니다. 보통 형 추론에 의해 결정되는 자료형은, 수식에서 그 변수와 함께 쓰이는 상수의 자료형과 동일한 것으로 봅니다. 형 추론을 지원하는 언어로는 ML이 있습니다. 

다음 예를 통해 형 추론을 해 봅시다. 

fun circumf(r) = 3.14159 * r * r;     (1)

fun times10(x) = 10 * x;               (2)

fun square(x) = x * x;                 (3)  

위의 세 가지 예제를 보고 형 추론을 해 보셨습니까? 그럼 추론이 맞는지 확인해 봅시다. (1)은 실수형입니다. 왜냐하면, 실수인 3.14159를 곱했기 때문입니다. (2)는 정수인 10을 곱했기 때문에 정수형입니다. 그렇다면 (3)은 무슨 형일까요? 여기서는 형 추론이 불가능합니다. 왜냐하면, (1)과 (2)의 경우에는 수식에 나타난 상수를 통해 형 추론을 할 수 있었지만, (3)의 경우에는 형 추론의 실마리가 되는 상수가 전혀 나타나 있지 않기 때문입니다. 

이와 같이 수식에 추론의 실마리가 되는 상수가 없을 때에는 프로그래머가 변수의 자료형을 명시해 주어야 합니다

(4) 저장 장소 바인딩(Storage Buildings)과 수명(Lifetime) 

저장 장소 바인딩이란 프로그램 수행 시에 변수의 값이 저장되어야 하는 공간을 지정하여 주는 것입니다. 

변수에 바인딩 되는 메모리 셀(Cell)은 가용 메모리로부터 선택되는 것인데, 이러한 과정을 메모리 할당(Allocation)이라고 합니다. 이와 반대로, 변수에 바인딩 되어 있는 메모리 셀을 되돌려 주어 다시 가용 메모리로 만드는 과정을 메모리 반환(Deallocation)이라고 합니다. 

변수의 수명은 변수가 특정한 메모리 위치에 바인딩 되어 있는 기간을 가리키는 것으로, 변수가 메모리 할당을 받을 때부터 시작해서 다시 메모리를 반환할 때 끝납니다. 

변수는 수명에 따라서 다음과 같이 네 가지로 분류됩니다. 

 정적 변수(Static Variable) 

 스택 기반 동적 변수(Stack-Dynamic Variable) 

 명시적 힙 기반 동적 변수(Explicit Heap-Dynamic Variable)

 묵시적 동적 변수(Implicit Dynamic Variable) 

이제부터 위에 열거한 네 범주에 속하는 변수들의 의미와 목적, 그리고 장단점에 대하여 알아보겠습니다. 

정적 변수(Static Variable)  

정적 변수는 프로그램 수행 시작부터 끝까지 동일한 메모리 셀에 바인딩 되어 있는 변수를 말합니다. 

정적 변수는 여러 가지 쓰임새로 사용되는데 그 대표적인 것이 전역 변수(Globally Accessible Variable)입니다. 전역 변수는 프로그램 수행 도중에 저장 공간이 변하지 않고 그대로 유지되는 변수입니다. 

정적 변수는 주소화 과정이 직접적으로 일어나므로 매우 효율적입니다. 또한, 프로그램 수행 시간 동안에는, 메모리 할당과 반환으로 인한 과부하(Overhead)가 일어나지 않는다는 장점이 있습니다. 

반면에 정적 변수를 사용하면 프로그램 내의 융통성이 감소되며, 오직 정적 변수만을 지원하는 프로그래밍 언어에서는 재귀 함수 (Recursion Function)를 정의할 수 없습니다. 

스택 기반 동적 변수(Static-Dynamic Variable)  

스택 기반 동적 변수는 선언문이 실행될 때 저장 장소 바인딩이 이루어지고, 그에 대한 자료형은 정적으로 바인딩 됩니다. 다시 말해서, 변수가 프로그램 시작 시에 바인딩 되는 것이 아니라, 프로그램을 한 줄 한 줄 수행하고 있는 동안, 변수를 선언하는 코드 부분이 나오면 그제서야 변수에 대한 저장 장소가 할당되고, 바인딩이 이루어지는 것입니다. 

PASCAL의 예를 들어 설명하여 보겠습니다. PASCAL에서 함수는 선언부(Declaration Section)와 코드부(Code Section)로 정의되기 때문에, 함수가 호출되어 코드부가 실행되기 전에 선언부에 대한 처리가 먼저 이루어집니다. 또한 이러한 함수에서 선언되는 변수들을 지역 변수(Local Variable)라고 하는데, 지역 변수들에 대한 기억 장소가 바로 이 때 할당되며 함수의 수행이 모두 끝나면 반환됩니다. 

스택 기반 동적 변수는 위와 같은 작업을 수행하며, 부프로그램들이 자신들의 지역 변수 저장을 위해 동일한 기억 장소 공간을 공유할 수 있어 메모리 낭비를 줄일 수 있다는 장점이 있습니다. 

반면에 기억 장소 할당과 반환으로 인해 과부하가 생기고, 함수가 호출, 복귀를 거듭하는 사이에 변수의 값이 소실될 수도 있다는 단점이 있습니다. 

명시적 힙 기반 동적 변수(Explicit Heap-Dynamic Variable)  

명시적 힙 기반 동적 변수는 프로그래머가 직접 기억 장소를 할당함으로써 프로그램 수행 중에 기억 장소가 할당되거나 반환되는 방식의 변수입니다. 이 때 할당되는 메모리는 힙으로부터 선택되고, 포인터 변수를 통해 그 내용을 참조하게 됩니다. 

포인터 변수는 저장 장소의 주소값과 그 저장 장소에 들어 있는 값을 모두 나타낼 수 있는 변수로, 자세한 내용은 4장에서 다루도록 하겠습니다. 

C++의 예를 들어, 명시적 힙 기반 동적 변수의 할당과 반환에 대하여 알아보겠습니다. 

C++는 'new'라는 할당 연산자가 있습니다. 'new'의 피연산자는 자료형이 되는데, 이 자료형을 받아들여서 이에 맞는 명시적 힙 기반 동적 변수를 생성한 후에 이를 참조할 수 있는 포인터를 돌려줍니다. 그리고, 반환 연산자로 'delete'가 있습니다. 명시적 힙 기반 동적 변수의 자료형은 컴파일 시에 결정되며 저장 장소는 프로그램 수행 시에 결정됩니다. 

int *node; (1)

node = new int; (2)

delete node; (3)

(1) 에서 정수형 포인터 node를 선언합니다. (2) 에서 정수형의 명시적 힙 기반 동적 변수가 'new' 연산자에 의해 생성되어, 여기서 돌려준 포인터를 node에 할당합니다. (3) 에서 'delete' 연산자에 의해 기억 장소를 반환합니다. 

명시적 힙 기반 동적 변수는 연결 리스트(Linked List)나 트리(Tree)처럼 수행 시간 동안 변수의 크기가 일정하지 않고 계속 변화하는 동적인 구조를 표현하는데 편리하게 사용될 수 있습니다. 그러나, 이러한 변수를 생성한 후에는 반드시 반환을 해 주어야 하는 등 세심한 배려가 필요하며, 포인터를 통해 값을 참조하는데 따르는 부담들도 단점으로 지적됩니다. 

묵시적 동적 변수(Explicit Heap-Dynamic Variable)  

묵시적 동적 변수란, 변수에 값이 할당되었을 경우에만 힙 저장 장소에 바인딩 되는 변수입니다. 

이것은 융통성이 매우 좋지만 프로그램 수행 시간 동안 과부하가 일어날 수 있고 컴파일시 오류 발견이 어렵다는 단점이 있습니다. 

3. 형검사

자료형의 검사는, 연산자의 피연산자가 옳은 자료형인지를 확인하는 작업으로, 정적인 경우에는 컴파일 시에, 동적인 경우에는 프로그램 수행 시에 검사가 일어납니다. 

예를 들어 % 연산자가 정수형 피연산자에 대해서만 연산이 가능하다고 했을 때, '%' 연산자와 실수가 함께 쓰이면 이는 오류가 됩니다. 

이와 같이 어떤 연산자에 대하여 적합하지 않은 자료형의 피연산자가 사용되는 경우를 형오류(Type Error) 라고 합니다. 

그런데 '%' 연산자와 실수 피연산자를 함께 사용하였는데도 불구하고 오류 없이 프로그램을 마칠 수 있는 경우도 있습니다. 이는 내부적으로 실수가 정수로 변환되어 사용되었기 때문입니다. 프로그램 컴파일 시, 실수 피연산자의 소수점 이하를 반올림 혹은 내림하여 연산자에 맞는 자료형으로 고쳐 프로그램 수행 자체에는 영향을 미치지 않는 것입니다. 이와 반대로, 정수를 실수로 변환하여 사용할 수도 있습니다. 

이처럼 컴파일러에 의해 자료형이 자동 변환되는 것을 강제 변환(Coercion)이라고 합니다. 

이러한 형 검사는, 변수에 대한 자료형 바인딩이 정적으로 이루어질 경우 형 검사 역시 정적으로 행해지고 형 검사가 컴파일시 이루어지는데, 이를 정적 형 검사(Static Type Binding) 라고 합니다. 자료형 바인딩이 동적으로 이루어질 경우에는 형 검사가 동적으로 행해지며, 프로그램 수행 시 이루어지는데 이를 동적 형 검사(Dynamic Type Binding) 라고 합니다.

(1) Strong Typing 

String typing이란 컴파일 시와 프로그램 수행 시에 형 검사를 하여 모든 형오류가 검출될 수 있게 합니다. Strong typing은 형오류 검출 능력이 뛰어나 신뢰성이 높으나, 융통성은 떨어집니다. 이를 지원하는 언어로는 ML과 MIRANDA가 있습니다. 

(2) 형 호환성(Type Compatibility)