전문가를 위한 C++/ C++와 표준 라이브러리 초단기 속성 코스

(전체가 아니라 C#과 차이가 있는 부분을 중심으로 요약 정리)

C++의 기초

프로그래밍 언어의 공식 예제 ‘Hello, World!’

주석

(생략)

전처리 지시자

C++로 작성된 소스 코드를 프로그램으로 만드는 빌드(build) 작업은 세 단계를 거친다.

  1. 전처리(preprocess) 단계에서는 소스 코드에 담긴 메타 정보를 처리한다.
  2. 컴파일(compile) 단계에서는 소스 코드를 머신이 읽을 수 있는 오브젝트(object) 파일로 변환한다.
  3. 링크(link) 단계에서는 앞에서 변환한 여러 오브젝트 파일을 애플리케이션으로 엮는다.

지시자(directive)는 전처리기에 전달할 사항을 표현하며 #include 처럼 # 문자로 시작한다.

main() 함수

프로그램은 항상 main() 함수에서 싲가한다. main() 함수는 int 타입의 값을 리턴하는데, 이 값으로 프로그램의 실행 결과에 대한 상태를 표시한다. main() 함수 안에서는 리턴 문장을 생략해도 되는데 그러면 자동으로 0을 리턴한다. (개인적으로 마음에 드는 디자인은 아니다. 이런 식으로 예외를 허용해주면 일관성이 깨지기 때문)

main() 함수는 매개변수를 받지 않거나 다음과 같이 2개를 받도록 작성할 수 있다.

int main(int argc, char* argv[])

argc는 프로그램에 전달할 인수 개수를 지정하고, argv는 전달할 인수의 값을 담는다. argv[0]에는 프로그램 이름이 담기는데, 공백 스트링으로 지정될 수 있어서 프로그램 이름을 참조하려면 이 값보다는 플랫폼에서 제공하는 기능을 사용하는 것이 좋다. 여기서 주의할 점은 실제 매개변수는 인덱스 1부터 시작한다는 것이다.

I/O 스트림

I/O 스트림은 13장에서 자세히 다루는데, 기본 원리는 굉장히 간단하다. 출력 스트림은 데이터를 나르는 컨베이어 벨트에 비유할 수 있다. 성격에 맞는 컨베이어 벨트에 데이터를 올려두기만 하면 그대로 출력된다.

데이터를 컨베이어 벨트에 올리는 작업은 << 연산자로 표현한다.

std::cout << "There are " << 219 << " ways I love you." << std::endl;

std::endl은 문장이 끝났다는 것을 의미하는데, 출력 스트림에서 std::endl이 나타나면 지금까지 전달한 내용을 모두 출력하고 다음 줄로 넘어간다. 문장의 끝은 \n 자로 표현할 수도 있다.

(이하 네임스페이스/ 리터럴/ 변수/ 연산자/ 타입/ 조건문/ 함수/ 배열/ std::vector/ 구조적 바인딩/ 반복문/ 이니셜라이저 리스트 생략)

C++의 고급기능

C++의 스트링

(생략)

포인터와 동적 메모리

스택과 힙

(생략)

포인터 사용법

메모리 공간을 적당히 할당하기만 하면 어떤 값도 힙에 저장할 수 있다. 

int* myIntegerPointer;

int 타입 뒤에 붙은 별표(*)는 이 변수가 정수 타입에 대한 메모리 공간을 가리킨다는 것을 의미한다. 이때 포인터는 동적으로 할당된 힙 메모리를 가리키는 화살표와 같다.

아직 값을 할당하지 않았기 때문에 포인터가 구체적으로 가리키는 대상은 없는데, 이를 초기화되지 않은 변수라 부른다. 포인터 변수는 초기화하지 않으면 어느 메모리를 기리키는지 알 수 없기 때문에 거의 대부분 프로그램이 뻗어 버린다. 그래서 포인터 변수는 선언하자마자 초기화한다. 포인터 변수에 메모리를 당장할당하고 싶지 않다면 널 포인터(nullptr)로 초기화한다.

int* myIntegerPointer = nullptr;

널 포인터란 정상적인 포인터라면 절대로 가자지 않을 특수한 값이며, 부울 표현식에서는 false로 표현한다.

포인터 변수에 메모리를 동적으로 할당할 때는 new 연산자를 사용한다.

myIntergerPointer = new int;

이렇게 하면 정숫값 하나에 대한 메모리 주소를 가리키며, 이 포인터가 가리키는 값에 접근하려면 포인터를 역참조(dereference) 해야 한다. 역참조란 포인터가 힙에 있는 실젯값을 가리키는 화살표를 따라간다는 뜻이다. 앞서 힙에 새로 할당한 공간에 정숫값을 넣으러면 다음과 같이 작성한다.

*myIntergerPointer = 8;

이 문장은 myIntegerPointer = 8; 과 전혀 다르다. 이 문장에서 변경하는 값은 포인터(메모리 주소)가 아니라 이 포인터가 가리키는 메모리에 있는 값이다.

동적으로 할당한 메모리를 다 쓰고 나면 delete 연산자로 그 공간을 해제해야 한다. 메모리를 해제한 포인터를 다시 사용하지 않도록 곧바로 포인터 변수의 값을 nullptr로 초기화 하는 것이 좋다.

delete myIntegerPointer;
myIntegerPointer = nullptr;

포인터는 힙뿐만 아니라 스택과 같은 다른 종류의 메모리를 가리킬 수도 있다. 원하는 변수의 포인터값을 알고 싶다면 주소 참조 연산자인 &를 사용한다.

int i = 8;
int* myIntegerPointer = &i; // 8이란 값을 가진 변수 i의 주소를 가리키는 포인터

C++은 구조체의 포인터를 다루는 부분을 조금 다르게 표현한다. 다시 말해 먼저 * 연산자로 역참조해서 구조체 자체(시작 지점)에 접근한 뒤 필드에 접근할 때는 . 연산자로 표기한다. 예컨대 다음 코드와 같다. 여기서는 getEmployee() 함수가 Employee 구조체를 리턴한다고 가정한다.

Employee* anEmployee = getEmployee();
cout << (*anEmployee).salary << endl;

위 코드가 복잡해 보이는데, 좀 더 간결하게 표현하고 싶다면 -> (화살표) 연산자로 다음과 같이 표기해도 된다. (화살표 연산자는 *와 . 를 하나로 합친 것)

Employee* anEmployee = getEmployee();
cout << anEmployee->salary << endl;

포인터를 다룰 때 단락 논리를 적용하면 잘못된 포인터에 접근하지 않게 할 수 있다.

bool isValidSalary = (anEmployee != nullptr && anEmployee->salary > 0);

동적으로 배열 할당하기

Note) C에서 사용하던 malloc()이나 free()는 사용하지 말고, new와 delete, new[], delete[]를 사용하라

널 포인터 상수

C++ 11 이전에는 NULL 이란 상수로 널 포인터를 표현했는데, NULL은 실제로 상수 0과 같아서 문제가 발생할 수 있다. 따라서 정식 널 포인터 상수인 nullptr을  사용하라

스마트 포인터

스마트 포인터를 사용하면 메모리와 관련하여 흔히 발생하는 문제를 방지할 수 있기 때문에 스마트 포인터를 사용하는 것이 권장된다. (아무리 메모리 해제를 꼼꼼히 해도 문제가 생길 수 있는 이유가, 실행 중 예외가 발생하는 경우 메모리 해제 코드까지 도달하지 못하기 때문)

C++에서 가장 중요한 스마트 포인터 타입은 다음 두 가지 이다.

  • std::unique_ptr
  • std::shared_ptr

unique_ptr은 포인터로 가리키는 대상이 스코프를 벗어나거나 삭제될 때 할당된 메모리나 리소스도 자동으로 삭제된다는 점을 제외하면 일반 포인터와 같다. 그러나 unique_ptr이 가리키는 객체를 일반 포인터로는 가리킬 수 없다.

unique_ptr은 return 문이 실행되거나 exception이 발생하더라도 항상 할당된 메모리나 리소스를 해제할 수 있다.

unique_ptr을 생성할 때는 반드시 std::make_unique<>()를 사용해야 한다.

auto anEmployee = make_unique<Employee>();

unique_ptr은 제네릭 스마트 포인트라서 어떠한 종류의 메모리도 가리킬 수 있다. 그래서 템플릿으로 만든 것이다.

make_unique()는 C++ 14부터 추가된 것이기 때문에 C++ 14를 지원하지 않는 컴파일러를 사용한다면 다음과 같은 방법으로 unique_ptr을 만든다.

unique_ptr<Employee> anEmployee(new Employee);

스마트 포인터로 지정한 anEmployee의 사용법은 일반 포인터와 같다.

cout << "Salary: " << anEmployee->salary <<< endl;

unique_ptr은 C 스타일 배열을 저장하는데도 활용할 수 있다. 다음 예는 열 개의 Employee 인스턴스로 구성된 배열을 생성하여 이를 unique_ptr에 저장하고 배열에 담긴 원소를 접근하는 방법을 보여주고 있다.

auto employees = make_unique<Employee[]>(10);
cout << "Salary: " << employees[0].salary << endl;

shared_ptr을 사용하면 데이터를 공유할 수 있다. shared_ptr에 대한 대입 연산이 발생할 때마다 레퍼런스 카운트가 하나씩 증가한다. 그래서 shared_ptr가 가리키는 데이터를 레퍼런스 카운트만큼 사용하고 있다는 것을 표현한다. shared_ptr가 스코프를 벗어나면 레퍼런스 카운트가 감소한다. 그러다 레퍼런스 카운트가 0이 되면 그 데이터를 아무도 가지고 있지 않기 때문에 포인터로 가리키던 객체를 해제한다.

shared_ptr는 std::make_shared<>()로 생성한다.

auto anEmployee = make_shared<Employee>();

if (anEmployee)
{
cout << "Salary: " << anEmployee->salary << endl;
}

C++ 17부터 shared_ptr에 배열도 저장할 수 있다. 배열을 저장하는 shared_ptr을 생성할 때는 make_shared<>()를 사용할 수 없고 다음과 같이 작성해야 한다.

shared_ptr<Employee[]> employees(new Employee[10]);
cout << "Salary: " << employees[0].salary << endl;

const의 다양한 용도

const 상수

(생략)

const 매개변수

C++에서는 non-const 변수를 const 변수로 캐스팅할 수 있다. 이렇게 하면 다른 코드에서 변수를 변경하지 않도록 어느 정도 보호할 수 있다.

다음 코드는 mysteryFunction()을 호출할 때 string*을 const string*으로 자동으로 캐스팅한다. 이때 mysteryFunction() 안에서 매개변수로 전달된 스트링의 값을 변경하면 컴파일 에러가 발생한다.

void mysteryFunction(const std::string* someString)
{
*someString = "Test"; // 컴파일 에러
}

int main()
{
std::string myString = "The string";
mysteryFunction(&myString);
return 0;
}

레퍼런스

C++에서 제공하는 레퍼런스를 사용하면 기존 변수에 새 이름을 지정할 수 있다.

int x = 42;
int& xReference = x;

변수의 타입 뒤에 &를 붙이면 그 변수는 레퍼런스가 된다. 코드에서 다루는 방법은 일반 변수와 같지만 내부적으로는 원본 변수에 대한 포인터로 취급한다. 위의 예에서 나온 일반 변수 x와 레퍼런스 변수 xReference는 모두 같은 값을 가리키며, 둘 중 한 변수에서 값을 변경하면 그 결과가 다른 변수에도 반영된다.

레퍼런스 전달 방식

일반적으로 함수에 전달한 변수는 값 전달 방식(pass by value)으로 처리한다. 예컨대 함수의 매개변수에 정수를 전달하면 함수 안에는 그 정수의 복제본이 전다로딘다. 따라서 함수 안에서 원본 변수의 값을 변경할 수 있다.

C에서는 스택 변수에 대한 포인터를 자주 사용했는데, 이런 방식을 사용하면 다른 스택 프레임에 있는 원본 변수를 수정할 수 있다. 이러한 포인터를 역참조하면 그 포인터가 현재 스택 프레임을 가리키지 않더라도 함수 안에서 그 변수가 가리키는 메모리의 값을 수정할 수 있다. 그런데 이 방식은 포인터 연산이 많아져서 간단한 작업이라도 코드가 복잡해진다.

C++에서는 값 전달방식보다 뛰어난 레퍼런스 전달 방식(pass by reference)을 제공한다. 이 방식을 이용하면 매개변수가 포인터값이 아닌 레퍼런스로 전달된다.

예컨대 addOne() 함수를 두 가지 방식으로 구현한 코드를 살펴보자. 첫 번째 함수는 매개변수가 값으로 전달되 함수 안에서는 그 값의 복제본을 조작하기 때문에 원본 변수는 값이 변하지 않는다. 두 번째 함수는 레퍼런스로 전달되기 때문에 원본 변수의 값도 변경된다.

void addOne(int i)
{
i++;
}

void addOne(int& i)
{
i++;
}

레퍼런스를 받는 함수를 호출하는 문장을 작성하는 방식은 일반 함수를 호출할 때와 같다.

복제하는데 부담스러울 정도로 큰 구조체나 클래스를 리턴하는 함수를 구현할 때는 구조체나 클래스를 non-const 레퍼런스로 받아서 원하는 작업을 수행한 뒤 그 결과를 직접 리턴하지 않고 내부에서 곧바로 수정하는 방식을 많이 사용한다. 

하지만 C++ 11부터 추가된 이동 의미론(move semantics) 덕분에 복제하지 않고도 구조체나 클래스를 직접 리턴할 수 있다.

Note) 위 두 함수는 미묘한 차이가 있는데, 값으로 전달하는 버전은 매개변수로 리터럴을 넣어도 문제 없지만, 레퍼런스를 전달하는 버전은 리터럴을 넣을 경우 컴파일 에러가 발생한다.

const 레퍼런스 전달 방식

함수의 매개변수를 const 레퍼런스로 전달하는 코드를 자주 볼 수 있는데, 얼핏 보면 모순되는 표현처럼 보인다. 레퍼런스 매개변수를 사용하면 변수의 값을 수정할 수 있는데 const로 지정하면 그렇게 할 수 없기 때문이다.

const 레퍼런스의 가장 큰 장점은 성능이다. 함수에 매개변수를 값으로 전달하면 그 값 전체가 복제된다. 그러나 레퍼런스로 전달하면 원본에 대한 포인터만 전달되기 때문에 원본 전체를 복제할 필요가 없다. 또한 const로 지정하면 원본 변수가 변경되지도 않는다.

const 레퍼런스는 특히 객체를 다룰 때 유용하다. 객체는 대체로 커서 복제하는 동안 의도하지 않은 효과가 발생할 수 있기 때문이다.

void printString(const std::string& myString)
{
std::cout << myString << std::endl;
}

int main()
{
std::string someString = "Hello World";
printString(someString);
printString("Hello World"); // 리터럴을 전달해도 된다.
return 0;
}

익셉션

C++은 유연성은 뛰어나지만 안정성은 좋지 않다. 메모리 공간을 무작위로 접근하거나 0으로 나누는 연산을 수행하더라도 컴파일러는 가만히 내버려둔다. 

(이하 생략)

타입 추론

auto 키워드

auto 키워드는 다음과 같이 다양한 상황에서 사용한다.

  • 함수의 리턴 타입을 추론한다.
  • 구조적 바인딩에 사용한다.
  • 표현식의 타입을 추론하는데 사용한다.
  • 비타입(non-type, 타입이 아닌) 템플릿 매개변수의 타입을 추론하는데 사용한다.
  • decltype(auto)에서 사용한다.
  • 함수에 대한 또 다른 문법으로 사용한다.
  • 제네릭 람다 표현식에서 사용한다.

auto 키워드를 지정하면 그 변수의 타입은 컴파일 시간에 자동으로 추론해서 결정된다.

auto x = 123; // x는 int 타입으로 결정된다.

auto로 표현식의 타입을 추론하면 함수에 지정된 레퍼런스나 const 한정자가 제거된다.

const std::string message = "Test";

const std::string& foo()
{
return message;
}

foo() 함수의 결과를 auto 타입으로 저장하면 다음과 같다.

auto f1 = foo();

auto를 지정하면 레퍼런스와 const 한정자가 사라지기 때문에 f1은 string 타입이 된다. 따라서 값이 복제되어 버린다. const 타입으로 지정하려면 다음과 같이 auto 키워드 앞뒤에 레퍼런스 타입과 const 키워드를 붙인다.

const auto& f2 = foo();

decltype 키워드

decltype 키워드는 인수로 지정한 표현식의 타입을 알아낸다.

int x = 123;
decltype(x) = 456;

이렇게 작성하면 컴파일러는 y의 타입이 x의 타입인 int라고 추론한다.

decltype은 레퍼런스나 const 지정자를 삭제하지 않는다는 점에서 auto와 다르다. 여기서 string을 가리키는 const 레퍼런스를 리턴하는 함수 foo()를 살펴보자. f2를 다음과 같이 decltype으로 정의하면 const string& 타입이 돼 복제 방식으로 처리하지 않는다.

decltype(foo()) f2 = foo();

얼핏보면 decltype을 사용한다고 특별히 나아질 게 없다고 생각할 수 있지만 템플릿을 사용할 때 상당히 강력한 효과를 발휘한다.

(이하 1장 생략)

[ssba]

The author

Player가 아니라 Creator가 되려는 자/ suyeongpark@abyne.com

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