CS50's Week 2_Arrays

2. Arrays

Compiling

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우리가 C언어로 작성한 source code를 컴퓨터가 실행시키기 위해서는 2진법의 machine code로 compile 해야한다.

Source code를 machine code로 compile하는 과정은 몇 단계로 나누어져있다:

• preprocessing
• compiling
• assembling
• linking

Preprocessing

가장먼저 preprocessing은 #include처럼 #으로 시작하는 line에 관련되어있다. 예를 들어, #include <cs50.h>는 clang에게 현재 프로그램에 사용할 콘텐츠를 포함하고있는 header file을 찾으라고 하는 명령으로 clang이 header file의 콘텐츠를 현재 프로그램으로 가져오게된다.

// Before preprocessing
#include <cs50.h>
#include <stdio.h>

int main(void)
{
    string name = get_string("Name: ");
    printf("hello, %s\n", name);
}

// After preprocessing
// cs50.h로부터 가져옴
string get_string(string prompt);
// stdio.h로부터 가져옴
int printf(const char *format, ...);

int main(void)
{
    string name = get_string("Name: ");
    printf("hello, %s\n", name)
}

 

Compiling

C로 작성한 source code를 assembly code로 변환한다.

...
main:                         # @main
    .cfi_startproc
# BB#0:
    pushq    %rbp
.Ltmp0:
    .cfi_def_cfa_offset 16
.Ltmp1:
    .cfi_offset %rbp, -16
    movq    %rsp, %rbp
.Ltmp2:
    .cfi_def_cfa_register %rbp
    subq    $16, %rsp
    xorl    %eax, %eax
    movl    %eax, %edi
    movabsq    $.L.str, %rsi
    movb    $0, %al
    callq    get_string
    movabsq    $.L.str.1, %rdi
    movq    %rax, -8(%rbp)
    movq    -8(%rbp), %rsi
    movb    $0, %al
    callq    printf
    ...

• 위의 instruction은 lower-level로 컴퓨터의 CPU가 바로 이해할 수 있는 binary instruction에 가깝다.
• variable 등을 이용해 추상화되지 않고, byte 자체에서 작동한다.

 

Assembling

Assembly code로 된 instruction을 binary로 변환한다.

Binary로 된 instruction을 machine code라고 하고 CPU가 직접적으로 실행할 수 있다.

 

Linking

먼저 compile 해놓은 library의 contents를 현재 프로그램의 machine code와 연결

현재 프로그램인 hello.c의 machine code에 미리 compile 해놓은 cs50.c와 printf.c의 maching code를 연결하여 하나의 파일(hello)로 만든다.

 

Debugging

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Bug는 제작자가 의도하지 않는 프로그램의 error이다. 이를 찾고 수정하는 과정을 debugging이라고 한다.

 

help50 and printf

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Debugging을 하기 위해서는 error message를 참고하거나 debugger를 이용하면 된다. CS50 sandbox나 CS50 IDE는 bug와 관련된 몇 가지 기능을 제공한다.

 

help50

help50: compile 할 때 make나 clang 등의 command-line 앞에 적으면 terminal에 뜬 error message에서 해석하는 것을 도와준다.

// buggy0.c
int main(void)
{
    printf("hello, world\n")
}

• 위 프로그램을 make 하면 implicitly declaring library function 'printf'라는 error message가 나타난다.
• Error message를 이해하기 어려울 때, help50 make buggy0를 실행하면 printf를 포함하는 #include <stdio.h>를 적지 않았다는 것을 함께 알려준다.

 

Printf

printf등으로 중간 과정을 출력해 error를 찾을 수도 있다. 주로 logical한 error를 찾는데 이용한다.

// buggy2.c
#include <stdio.h>

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

• #을 10번 출력하려고 작성한 위의 프로그램은 실제로 #을 11번 출력한다.
• 위처럼 logical error가 있을 때에는 compile 자체는 error없이 되기 때문에 문제의 원인을 파악하기 어렵다. Print line을 추가해서 문제를 파악해볼 수 있다.

#include <stdio.h>

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

• 실행해보면 i가 0에서 시작해서 10이 될 때 까지 출력을 반복하기 때문에 총 11번 출력하는 것을 알 수 있다. 이를 해결하기 위해서는 i가 10이 되기 전에 멈춰야하기 때문에 i <= 10 대신 i < 10을 사용해야한다.

 

debug50

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CS50 IDE는 debug50라는 debugger를 지원한다. 원하는 부분부터 program을 step by step으로 실행하면서 bug를 찾아낼 수 있다.

위에서 printf를 통해 파악했던 i의 상태를 debug50를 이용해서 확인할 수 있다.

• 우선 프로그램 실행을 멈추고 debugger를 시작 할 breakpoint를 설정한다. 원하는 line의 숫자 왼편을 클릭해서 설정할 수 있다. 설정하면 빨간 원이 나타난다.
  

  

• 이후에 debug50 ./buggy2로 실행하면 debugger panel이 오른쪽에 표시된다.
  

  

• Debugger panel에서 Local Variables아래 i가 있고 현재 0으로 선정되어있다.
• Panel 위쪽의 원형 화살표를 누르면 누를 때 마다 한 줄씩 넘어가면서 실행하는데 버튼을 누르면 printf라인에 도달하고 한 번 더 누르면 terminal window에 #이 출력된다. 다시 버튼을 누르면 오른쪽의 i가 1로 증가한다.
• 이런 식으로 프로그램을 step by step으로 순차적으로 실행하면서 오류를 찾을 수 있다.
• Breakpoint를 여러개 설정할 수도 있고 파란 삼각형 버튼을 누르면 다름 breakpoint까지 실행된다.
• Debugger를 종료하기 위해서는 control + C해 프로그램을 종료한다.

 

check50 and style50

check50를 이용하면 CS50에서 정해놓은 가이드라인에 따라 프로그램을 test해볼 수 있다. 실제로 개발자들도 자신들 만의 test code를 작성해서 code가 제대로 동작하는지 test 해본다.

style50는 코드가 미적으로 (코드 가독성과 유지보수와 관련) 괜찮은지 판단해주는 프로그램이다. Style guide에 판단 기준이 소개되어있다.

 

Data Types

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C에는 다양한 종류의 data를 저장하기 위한 variables이 있으며 data type에 따라 다른 크기를 갖는다.

type	size
bool	1 byte
char	1 byte
int	4 byte
float	4 byte
long	8 byte
double	8 byte
string	? byte

 

Memory

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우리가 사용하는 컴퓨터 안에는 잠깐 사용할 데이터를 저장하는 RAM (Random-Access Memory)이라는 것이 존재한다. 일반적으로 프로그램은 Hard drive (혹은 SSD)에 긴 시간동안 저장하지만 그 프로그램을 열어서 사용할 때는 RAM에 옮긴 뒤 사용한다.

Data를 저장할 수 있는 RAM의 공간을 byte가 연속된 grid처럼 있는 것으로 생각할 수 있다.

• 실제로는 하나의 칩에 수백만 혹은 수십억 정도의 굉장히 많은 byte가 존재한다.

C언어에서 char type인 variable을 하나 생성하면 위 그림의 박스중 한 개를 차지하고 저장되는 것으로 생각할 수 있다. integer의 경우 4 bytes이므로 네 개를 차지한다.

각 박스는 특정한 숫자나 주소로 label 되어있다.

 

Arrays

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예를 들어 다음과 같이 세 개의 variable을 저장해보자:

#include <stdio.h>

int main(void)
{
    // single quote for a literal character
    char c1 = 'H';
    char c1 = 'I';
    char c1 = '!';
    // double quote for multiple characters together
    printf("%i %c %c\n", c1, c2, c3)
}

• Character는 실제로 숫자이므로 printf("%i %i %i\n", c1, c2, c3)로 출력하면 72 73 33이 출력된다.
• 명백하게는 각 charahcter를 (int) c1처럼 cast(변환)해서 출력해야하지만 이 경우 compiler가 자체적으로 처리해준다.

이는 메모리중 세 개의 박스를 각각 c1, c2, c3로 lable 해서 차지하고 있는 것과 같다. 각 박스는 하나의 byte를 의미하며 그 안에는 variable의 값을 binary의 형태로 담고있다.

 

int형 data type의 variable을 이용해서 평균을 구하는 프로그램에 대해 생각해보자:

#include <stdio.h>

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

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

프로그램의 목적은 세 숫자의 평균을 구하는 것이지만 각 score마다 일일히 variable을 만들어줘서 사용해야하기 때문에 이후에 사용하기가 번거롭다.

이를 해결하기 위해 각 variable을 서로의 바로 다음에 (back-to-back) 저장할 수 있다. C에서는 이런 연속적으로 덩어리져있는 variable들의 목록을 array라고 한다.

 

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

int main(void)
{
    // scores
    // declare array of 3 integers
    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);
}

• Array는 zero-indexed되어있다. 즉, 첫 번째 element가 index 0에서 시작.

 

위 프로그램에서 array이 길이인 3이 반복되므로 항상 동일한 값을 나타낼 수 있도록 constant (fixed value)를 사용해서 수정해준다.

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

// Set N as 3 (한 번 값을 지정하면 프로그램 내에서 바뀌지 않음)
const int N = 3;

int main(void)
{
    // scores
    int scores[N];

    scores[0] = 72;
    scores[1] = 73;
    scores[2] = 33;

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

 

Array를 이용하면 loop를 이용해서 score을 보다 쉽게 더하거나 이후에 다시 접근할 수 있다.

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

// average 함수 선언
float average(int length, int array[]);

int main(void)
{
    // 입력받을 score의 개수 입력
    int n = get_int("Scores:  ");

    // n개의 score를 받을 array 선언
    int scores[n];
    // score 입력
    for (int i = 0; i < n; i++)
    {
        scores[i] = get_int("Score %i: ", i + 1);
    }

    // Average 출력 (%.1f: 소수점 한 자리 까지) 
    printf("Average: %.1f\n", average(n, scores));
}

// length: score 개수, array: score를 담고있는 array
float average(int length, int array[])
{
    int sum = 0;
    // sum에 length개의 array 항목을 모두 더함
    for (int i = 0; i < length; i++)
    {
        sum += array[i];
    }
    // sum을 length로 나눔
    // 나눈 결과가 정수가 아닐 수 있으므로 모두 float형으로 바꿔서 계산 
    return (float) sum / (float) length;
}

 

메모리에서 위의 scores array는 각 값이 int형이므로 4칸을 차지한다.

Strings

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실제로 string은 문자(character)로 이루어진 array이다. String s가 있다면 각 문자는 s[0], s[1]과 같은 방식으로 접근할 수 있다.

또한, String은 특별한 문자인 \0으로 끝난다. 이는 모든 bits가 0인 문자로 'null character' 혹은 'null terminating character'라고 불린다.

그러므로 "Hi!"를 표현하기 위해서는 4 bytes가 필요하다.

 

Array에 네 개의 string이 들어간 경우는 어떤지 보자:

string names[4];
names[0] = "EMMA";
names[1] = "RODRIGO";
names[2] = "BRIAN";
names[3] = "DAVID";

// names의 첫 번째 값을 string(%s)으로 출력
printf("%s\n", names[0]);

// 첫 이름의 각 character를 다시 []를 사용해서 출력
//(names[0])[0]처럼 생각할 수 있다
printf("%c%c%c%c\n", names[0][0], names[0][1], names[0][2], names[0][3]);

String을 출력할 때 null character에 도달할 때 까지 string의 각 character를 printf를 반복해서 출력한다.

첫 이름은 네 글자이므로 실제로 names[0][4]를 int형으로 출력하면 0이 나타난다.

이 array의 각 character들이 memory에 저장되어있는 것을 나타내면 다음과 같다:

 

이를 다음의 코드로 실험해볼 수 있다:

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

// strlen을 사용하기 위한 library
#include <string.h>

int main(void)
{
    string s = get_string("Input:  ");
    printf("Output: ");

    // strlen(s): string s의 길이 (문자수)
    // string의 각 문자를 순차적으로 하나씩 출력
    for (int i = 0; i < strlen(s); i++)
    {
        printf("%c", s[i]);
    }
    printf("\n");
}

• 조건을 s[i] != '\0'을 사용해도 된다. Null character가 나올 때 까지 출력.
• 위의 코드는 조건을 확인할 때마다 s의 길이를 계산해줘야 하므로 int i = 0, n = strlen(s); i < n; i++ 처럼 처음에 s의 길이를 n에 할당한 뒤 n을 사용하면 보다 효율적이다.

 

배운 것을 이용해서 단어를 capitalize시키는 프로그램을 작성할 수 있다.

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

int main(void)
{
    string s = get_string("Before: ");
    printf("After:  ");

    // string s의 모든 문자를 순차적으로 대문자로 변경
    for (int i = 0, n = strlen(s); i < n; i++)
    {
        // s[i]가 소문자인 경우 ('a'~'z' 사이에 있는 경우)
        if (s[i] >= 'a' && s[i] <= 'z')
        {
            // s[i]에서 32를 뺀 값을 출력
            // ASCII 에서 동일한 문자의 대문자, 소문자의 차이는 32이다
            printf("%c", s[i] - 32);
        }
        else
        {
            printf("%c", s[i]);
        }
    }
    printf("\n");
}

library를 이용하면 훨씬 간단하게 할 수 있다. man pages에서 사용할 수 있는 다양한 library function을 찾아볼 수 있다.

#include <cs50.h>

// toupper를 사용하기 위한 library
#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++)
    {
        // toupper(s[i]): s[i]를 대문자로 변경
        printf("%c", toupper(s[i]));
    }
    printf("\n");
}

 

Command-line arguments

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make나 clang같은 프로그램은 command line에서 각 명령어 뒤에 단어를 추가적으로 입력한다. (e.g file을 compile하기 위해서 make 'file'을 입력)

우리가 직접 만든 프로그램도 command line에 입력한 단어를 command-line argument로 사용할 수 있다.

// hello.c를 다음과 같이 작성한 뒤 terminal에 './hello name'을 입력하여 실행
// name에는 출력하고 싶은 아무 문자열이나 쓰면 된다
#include <cs50.h>
#include <stdio.h>

// `main` function이 `argc`, `argv` 두 변수를 받음
int main(int argc, string argv[])
{
    // argument의 개수가 2개가 아닌 경우 (./hello와 name)
    if (argc != 2)
    {
        // command-line argument를 입력하지 않았다는 안내를 출력
        printf("missing command-line argument\n");

        // 문제 발생을 알리기 위해 1을 return하고 종료.
        return 1;
    }
    // argv[1]인 name을 이용하여 'hello, name' 출력
    printf("hello, %s\n", argv[1]);

    // 문제 없음을 알리기 위해 0을 return하고 종료.
    return 0;
}

• argc: Argument count, 입력된 argument의 수
• argv: 입력된 argument를 담고있는 string array
• 첫 argument argv[0]은 실행시키는 프로그램의 이름이다. (e.g ./hello)
  
  
• 프로그램을 종료하기 위해 return과 함께 return value를 입력한다. 통상적으로 정상적으로 프로그램을 마쳤을 때 0을 return하며 에러가 발생했을 때는 그 외의 수를 return한다.