[CS50] 배열

업데이트: June 14, 2021

컴파일링

#include <stdio.h>

int main(void){
    printf("hello, world\n");
}

main 함수는 프로그램의 시작점으로써 실행 버튼을 클릭하는 것과 같다.
printf는 출력을 담당하는 함수이며 사용하기 위해서는 stdio.h 라이브러리가 필요하다.
stdio.h는 헤더 파일로 C 언어로 작성되어 있으며 파일명이 .h로 끝나는 파일이다.
- 이 파일에는 printf 함수의 프로토타입이 있어서 Clang 컴파일러가 프로그램을 컴파일할 때 printf가 무엇인지 알려주는 역할을 한다.
코드를 clang hello.c로 컴파일하고 ./a.out 명령으로 프로그램을 실행할 때 이 과정은 0과 1로 이루어진 파일 a.out을 생성하여 실행 가능하게 한다.

a.out이 아닌 다른 파일명으로 컴파일하고 싶다면?
```
clang -o hello hello.c
```
CS50 라이브러리를 사용한 프로그램을 컴파일 할 때는?
```
clang -o hello hello.c -lcs50
```

이것은 clang에게 CS50 라이브러리에 있는 모든 0과 1들을 여기에 연결하라는 의미이다.
더 간단히는 make 프로그램을 이용하면 이 모든 컴파일 과정을 자동으로 처리할 수 있다.

make나 clang을 사용해서 프로그램을 실행할 때 아래 네 개의 단계를 거친다.

전처리
컴파일링
어셈블링
링킹

전처리(Precompile)

컴파일의 전체 과정은 네 단계로 나누어볼 수 있다. 그 중 첫 번째 단계가 전처리이다.
전처리는 전처리기에 의해 수행된다.
’#’으로 시작되는 C 소스코드는 전처리기에 실질적인 컴파일이 이루어지기 전에 무언가를 실행하라 알려준다.
ex) #include는 전처리기에게 다른 파일의 내용을 포함시키라고 알려준다.

컴파일(Compile)

전처리기가 전처리한 소스 코드를 생성하고 나면 그 다음 단계는 컴파일이다.
컴파일러라고 불리는 프로그램은 C 코드를 어셈블리어라는 저수준 프로그래밍 언어로 컴파일한다.
어셈블리는 C보다 연산의 종류가 훨씬 적지만, 여러 연산들이 함께 사용되면 C에서 할 수 있는 모든 것들을 수행할 수 있다.
C 코드를 어셈블리 코드로 변환시켜줌으로써 컴파일러는 컴퓨터가 이해할 수 있는 언어와 최대한 가까운 프로그램으로 만들어준다.
컴파일이란 용어는 소스 코드에서 오브젝트 코드로 변환하는 전체 과정을 통틀어 일컫기도 하지만, 구체적으로 전처리한 소스 코드를 어셈블리 코드로 변환시키는 단계를 말하기도 한다.

어셈블(Assemble)

어셈블 단계는 어셈블리 코드를 오브젝트 코드로 변환시킨다.
컴퓨터의 중앙처리장치가 프로그램을 어떻게 수행해야 하는지 알 수 있는 명령어 형태인 연속된 0과 1들로 바꿔주는 작업
이 변환작업은 어셈블러라는 프로그램이 수행한다. 소스 코드에서 오브젝트 코드로 컴파일 되어야 할 파일이 딱 한 개라면, 컴파일 작업은 여기서 끝이 난다. 그렇지 않은 경우는 다음 단계인 링크라 불리는 단계가 추가된다.

링크(Link)

만약 프로그램이 여러 개의 파일로 이루어져 있어 하나의 오브젝트 파일로 합쳐져야 한다면 링크라는 컴파일의 마지막 단계가 필요하다.
링커는 여러 개의 다른 오브젝트 코드 파일을 실행 가능한 하나의 오브젝트 코드 파일로 합쳐준다.

이 네 단계를 거치면 최종적으로 실행 가능한 파일이 완성된다.

디버깅

버그와 디버깅

버그(bug)는 코드에 들어있는 오류
버그로 인해 프로그램의 실행에 실패하거나 프로그래머가 원하는 대로 동작하지 않게 된다.
디버깅(debugging)은 코드에 있는 버그를 식별하고 고치는 과정이다.
프로그래머는 디버거라고 불리는 프로그램을 사용하여 디버깅을 하게 된다.

디버깅의 기본

디버거는 프로그램을 특정 행에서 멈출 수 있게 해주기 때문에 버그를 찾는데 도움이 된다.
프로그래머는 멈춰진 그 지점에서 무슨 일이 일어나는지 볼 수 있다.
프로그램이 멈추는 특정 지점을 중지점이라 한다.
프로그러매가 프로그램을 한번에 한 행씩 실행할 수 있게 해준다.

help50

int main(void)
{
    printf("hello, world\n");
}

make 프로그램을 이용하여 컴파일해보면 “implicitly declaring library function ‘printf’“라는 에러 메세지가 나타난다.
이런 메세지를 이해하기 힘들 때 help50 프로그램을 사용하면 좋다.
make 앞에 help50을 붙여 실행하면 다시 컴파일시 생기는 오류를 해석해준다.
```
help50 make 파일이름
```

printf

#include <stdio.h>

int main(void)
{
    for (int i = 0; i <= 10; i++)
    {
        printf("#\n");
    }
}

이 코드를 실행하면 에러는 발생하지 않지만 의도와는 다르게 ‘#’이 11개나 출력된다.
디버깅의 다른 방법으로는 직접 의심이 가는 변수를 출력해서 확인해 볼 수 있다.

#include <stdio.h>

int main(void)
{
    for (int i = 0; i <= 10; i++)
    {
        printf("i is now %i: ", i);
        printf("#\n");
    }
}

i가 0에서 시작하기 때문에 for 루프의 i <= 10 이라는 조건은 실제로 11번 만족한다는 사실을 알 수 있다.
따라서 i < 10으로 수정해주면 ‘#’이 10번 출력된다.

debug50

CS50 IDE를 사용하면 debug50이라는 프로그램을 사용할 수 있다.
소스 코드에 직접 브레이크포인트를 저장하고 소스파일을 컴파일한 후에 dubug50 파일명으로 실행한다.
디버깅 종료를 위해 Ctrl + c를 누르면 된다.

코드의 디자인

check50

check50 프로그램을 이용하면 과제를 잘 수행했는지 자동으로 검사가 가능
여러 사람들이 각자 한 부분을 맡아 코드를 작성할 때 각자 수정한 코드가 전체 프로그램의 정확성을 해치지 않는지 쉽게 확인할 수 있다.
이 프로그램은 CS50 강의를 위해서만 작성되었다.

style50

style50 프로그램을 이용하면 코드가 심미적으로 잘 작성되어 있는지 검사 가능
공백의 수나 줄바꿈과 같은 것들이 코드를 읽고 이해하는데 영향을 준다.
많은 회사들이 사내에서 코드를 작성할 때 특정한 스타일 가이드를 따르도록 한다.
여러 사람들이 코드를 작성하기 때문에 서로 불필요한 오해를 없애고, 코드를 이해하는 데 드는 비용을 최소화하기 때문이다.

고무 오리

때로는 코드에 포함된 오류를 해결할 때 위에 있는 프로그램들이 존재하지 않거나, 있다 하더라도 디버깅에 큰 도움이 안 될 수 있다.
이럴 때는 직접 곰곰히 생각해보는 수 밖에 없다.
한 가지 유명한 방법으로는 고무 오리와 같이 무언가 대상이 되는 물체를 앞에 두고, 내가 작성한 코드를 한 줄 한 줄 말로 설명해주는 과정을 거쳐볼 수 있다.

배열(1)

메모리

C에는 여러 자료형이 있고, 각각의 자료형은 서로 다른 크기의 메모리를 차지한다.
- bool: 불리언, 1바이트
- char: 문자, 1바이트
- int: 정수, 4바이트
- float: 실수, 4바이트
- long: (더 큰) 정수, 8바이트
- double: (더 큰) 실수, 8바이트
- string: 문자열, ?바이트

컴퓨터 안에는 아래 사진과 같은 RAM이라고 하는 물리적 칩이 메모리 역할을 한다.
여러 개의 노란색 사각형이 메모리를 의미하고, 작은 사각형 하나가 1바이트를 의미한다.
예를 들어 char 타입의 변수를 하나 생성하고, 그 값을 입력한다고 하면 위 사진에서 한 사각형 안에 그 변수의 값이 저장된다.

배열

#include <cs50.h>
#include <stdio.h>

int main(void)
{
    // Scores
    int score1 = 72;
    int score2 = 73;
    int score3 = 33;

    // Print average
    printf("Average: %i\n", (score1 + score2 + score3) / 3);
}

점수의 개수가 더 많아진다면 이 프로그램은 많은 부분을 수정해야 한다.
이 때 활용할 수 있는 것이 배열의 개념이다.
배열은 같은 자료형의 데이터를 메모리상에서 연이어서 저장하고 이를 하나의 변수로 관리하기 위해 사용된다.
위 코드는 배열을 이용하면 아래와 같이 바꿀 수 있다.

#include <cs50.h>
#include <stdio.h>

int main(void)
{
    // Scores
    int scores[3];
    scores[0] = 72;
    scores[1] = 73;
    scores[2] = 33;

    // Print average
    printf("Average: %i\n", (scores[0] + scores[1] + scores[2]) / 3);
}

int scores[3]; 이라는 코드는 int 자료형을 가지는 크기 3의 배열을 scores라는 이름으로 생성하겠다는 의미이다.
배열의 인덱스는 0부터 시작하기 때문에, scores의 인덱스는 0, 1, 2 세 개가 있다.
이 인덱스를 변수명 뒤에 대괄호 [] 사이에 입력하여 배열의 원하는 위치에 원하는 값을 저장하고 불러올 수 있다.
하지만 위와 같은 코드는 여전히 점수의 개수가 바뀌는 상황에서 제약이 많다.

배열(2)

전역 변수

#include <cs50.h>
#include <stdio.h>

const int N = 3;

int main(void)
{
    // 점수 배열 선언 및 값 저장
    int scores[N];
    scores[0] = 72;
    scores[1] = 73;
    scores[2] = 33;

    // 평균 점수 출력
    printf("Average: %i\n", (scores[0] + scores[1] + scores[2]) / N);
}

위의 코드에서 scores 배열의 크기를 정해주는 N이라는 변수 새로 선언
만약 N이 고정된 값(상수)이라면 그 값을 선언할 때 const를 붙여 전역 변수, 즉 코드 전반에 거쳐 바뀌지 않는 값임을 지정할 수 있다.
관례적으로 이런 전역 변수 이름은 대문자로 표기한다.
scores의 크기로 전역 변수를 선언하였기 때문에 점수 개수가 바뀌었을 때 수정해야 하는 코드가 좀 줄었다. 하지만 일일이 인덱스마다 점수를 지정해줘야 하는 불편함이 있다.

배열의 동적 선언 및 저장

#include <cs50.h>
#include <stdio.h>

float average(int length, int array[]);

int main(void)
{
    // 사용자로부터 점수의 갯수 입력
    int n = get_int("Scores:  ");

    // 점수 배열 선언 및 사용자로부터 값 입력
    int scores[n];
    for (int i = 0; i < n; i++)
    {
        scores[i] = get_int("Score %i: ", i + 1);
    }

    // 평균 출력
    printf("Average: %.1f\n", average(n, scores));
}

//평균을 계산하는 함수
float average(int length, int array[])
{
    int sum = 0;
    for (int i = 0; i < length; i++)
    {
        sum += array[i];
    }
    return (float) sum / (float) length;
}

위의 코드는 배열의 크기를 사용자에게 직접 입력 받고, 배열의 크기만큼 루프를 돌면서 각 인덱스에 해당하는 값을 역시 사용자에게 입력 받아 저장한다.
average 함수를 따로 만들어서 평균을 구한다.
average 함수는 length와 array[], 즉 배열의 길이와 배열을 입력으로 받는다.
함수 안에서는 배열의 길이만큼 루프를 돌면서 합을 구하고 최종적으로 평균값을 반환한다.

문자열과 배열

우리가 여지껏 사용한 문자열(string) 자료형의 데이터는 사실 문자(char) 자료형의 데이터들의 배열이다.
string s = “HI!”; 와 같은 문자열 s는 문자의 배열이기 때문에 메모리 상에 아래 그림과 같이 저장되고, 인덱스로 각 문자에 접근할 수 있다.
여기서 가장 끝의 \0은 문자열의 끝을 나타내는 널 종단 문자이다.
단순히 모든 비트가 0인 1바이트를 의미한다.

string names[4];

names[0] = "EMMA";
names[1] = "RODRIGO";
names[2] = "BRIAN";
names[3] = "DAVID";

printf("%s\n", names[0]);
printf("%c%c%c%c\n", names[0][0], names[0][1], names[0][2], names[0][3]);

names라는 문자열 형식의 배열에 네 개의 이름이 저장되었다.
첫 번째 printf에서는 names의 첫 번째 인덱스의 값, 즉 “EMMA”를 출력한다.
두 번째 printf에서는 형식 지정자가 %s가 아닌 %c로 설정되어 있음을 확인할 수 있다.
따라서 출력하는 것은 문자열이 아닌 문자다.
이는 names[0][1]과 같이 2차원 배열을 통해 접근할 수 있다.
names[0][1]는 names의 첫 번째 값, 즉 “EMMA”라는 문자열에서, 그 두번째 값, 즉 ‘M’ 이라는 문자를 의미한다.
아래 그림에서 names가 실제 메모리상에 저장된 예시와 해당하는 인덱스를 확인할 수 있다.

문자열의 활용

문자열의 길이 및 탐색

#include <cs50.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main(void)
{
    string s = get_string("Input: ");
    printf("Output:\n");
    for (int i = 0, n = strlen(s); i < n; i++)
    {
        printf("%c\n", s[i]);
    }
}

strlen은 문자열의 길이를 알려주는 함수이며 string.h 라이브러리 안에 포함되어 있다.
위 코드에서는 n이라는 변수에 문자열 s의 길이를 저장하고, 해당 길이 만큼만 for 루프를 순환한다.

문자열 탐색 및 수정

#include <cs50.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main(void)
{
    string s = get_string("Before: ");
    printf("After:  ");
    for (int i = 0, n = strlen(s); i < n; i++)
    {
        if (s[i] >= 'a' && s[i] <= 'z')
        {
            printf("%c", s[i] - 32);
        }
        else
        {
            printf("%c", s[i]);
        }
    }
    printf("\n");
}

입력받은 문자열을 대문자로 바꿔주는 프로그램이다.
먼저 입력받은 문자열을 s라는 변수에 저장한 뒤 s의 길이만큼 for 루프를 돌면서, 각 인덱스에 해당하는 문자가 ‘a’보다 크고 ‘z’보다 작은지 검사한다.
ASCII 값에서 각 알파벳의 소문자와 대문자는 32씩 차이가 난다.
따라서 각 문자가 소문자인 경우 그 값에서 -32를 하고 ‘문자’ 형태로 출력하면 대문자가 출력된다.
이와 동일한 작업을 수행하는 함수가 ctype 라이브러리에 toupper()라는 함수로 정의되어 있다.

#include <cs50.h>
#include <ctype.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main(void)
{
    string s = get_string("Before: ");
    printf("After:  ");
    for (int i = 0, n = strlen(s); i < n; i++)
    {
        printf("%c", toupper(s[i]));
    }
    printf("\n");
}

명령행 인자

main 함수 괄호 안에 기계적으로 void라고 입력하는 대신 아래 코드와 같이 argc, argv를 정의해보자.

#include <cs50.h>
#include <stdio.h>

int main(int argc, string argv[])
{
    if (argc == 2)
    {
        printf("hello, %s\n", argv[1]);
    }
    else
    {
        printf("hello, world\n");
    }
}

여기서 첫 번째 변수 argc는 main 함수가 받게 될 입력의 개수이다.
argv[]는 그 입력이 포함되어 있는 배열이다.
프로그램을 명령행에서 실행하므로, 입력은 문자열로 주어진다.
따라서 argv[]는 string 배열이 된다.

argv[0]는 기본적으로 프로그램의 이름으로 저장된다.
만약 하나의 입력이 더 주어진다면 argv[1]에 저장된다.
위 프로그램을 “arg.c”라는 이름으로 저장하고 컴파일 한 후 "./argc"로 실행해보면 “hello, world”라는 값이 출력된다.
"./argc David"로 실행해보면 “hello, David”라는 값이 출력된다.

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techhan