C Basics 2/ (열혈 C프로그래밍)

🥸 저번 포스팅에서 1장부터 3장까지 다루었다. 이번 포스팅에서는 4장부터 5장까지 다루자!

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4. 데이터 표현방식의 이해

① 진법의 이해

→ 2진수는 두 개의 기호(0과 1)를 이용해 데이터를 표현하는 방식. 컴퓨터는 2진수를 기반으로 데이터를 표현하고 연산 진행

→ 이와 유사하게 10진수는 10개의 기호 / 16진수는 16개의 기호(1부터 10까지의 숫자 + A ~ F 대소문자 구분 x)를 사용

ex) 즉 10진수로 10은 16진수로 A로 표현하고 / 10진수로 17은 16진수로 11로 표현한다

 

Q. 16진수가 필요한 이유?

→ 2진수로만 표현하면 데이터의 길이가 길어지므로 한눈에 파악하기 어려움. 따라서 2진수 네 개는 16진수 1개로 간결히 표현 가능하므로 16진수를 많이 사용

 

② 데이터의 표현 단위 - bit와 byte

→ 비트(bit)는 컴퓨터가 표현하는 데이터의 최소단위(메모리의 최소단위)로서 2진수 값 하나를 저장할 수 있는 메모리의 크기

→ 바이트(byte)는 비트를 8개 모은 것

ex) 즉 1bit로 표현할 수 있는 데이터의 수는 2개 / 2bit로 표현할 수 있는 데이터의 수는 4개 / 1byte로 표현할 수 있는 데이터의 수는 $2^8$개

따라서 n개의 bit로 표현할 수 있는 데이터의 수는 $2^n$개

 

③ 8진수와 16진수의 데이터 표현

→ 0x로 시작하면 16진수의 표현 / 0으로 시작하면 8진수의 표현

ex) 아래의 코드 예시를 보면 표현방법만 다를 뿐 컴퓨터는 내부적으로 2진수의 형태로 동일한 값을 저장한다

(%d로 나타내었기에 10진수 형태로 나타낸 것이다)

#include <stdio.h>

int main(void) {
  int num1 = 10;
  int num2 = 0xA;
  int num3 = 012;

  printf("%d, %d, %d\n", num1, num2, num3);
  
  return 0;
}

 

④ 정수와 실수의 표현 방식

→ 정수의 표현방식

: 만약 1바이트의 메모리 공간에 정수를 저장하려 한다면 가장 왼쪽에 존재하는 bit는 부호 표현에 사용. 양수라면 1, 음수라면 0을 저장한다. 이 bit를 가리켜 MSB(Most Significant Bit)라고 한다. 그리고 가장 왼쪽 bit를 제외한 나머지 bit는 데이터의 크기를 나타낸다. 
 

ex) 10진수로 10이라는 양의 정수를 표현하고 싶다면 아래와 같이 000001010으로 표현할 수 있다.

 

: 음의 정수를 표현하고 싶다면 2의 보수를 취해야 한다. 아래의 세 차례 과정을 '2의 보수법'이라 부름

(1) 먼저 양의 정수를 표현한다

(2) 1의 보수를 취한다

(3) 1을 더한다 

ex) 정수 -5를 표현하고 싶다면 정수 +5인 00000101에서 1의 보수를 취한 11111010로 나온 다음, 1을 더한 결과인 11111011이 정답

ex) 음의 정수 10101001과 11110000은 각각 10진수로 -87과 -16이 된다. (위 2의 보수법을 거꾸로 따르면 된다)

: 즉 양수에서 음수로 바꿀 때 1을 0으로 바꾸고, 0을 1로 바꾼 다음 + 1 / 음수에서 양수로 바꿀 때는 반대로 -1을 한다음 1을 0으로 바꾸고 0을 1로 바꾼다. 이 때 음수로 먼저 1을 0으로 바꾸고, 0을 1로 바꾼 다음 +1 해도 가능하다! (아래 예제 참조)

 

→ 실수의 표현방식

: 우리가 표현하고자 하는 실수의 값을 정확히 표현할 수 없으므로, 이러한 오차를 '부동 소수점 오차'라고 한다. 부호 비트(sign bit), 지수 비트(exponent bit)가 e, 가수비트(fraction, significant, mantissa bit)가 m을 뜻한다.

 

⑤ 비트 연산자

→ 주로 하드웨어 관련 프로그래밍에 활용되지만, 메모리 공간의 효율성 높이거나 연산의 수를 줄일 때 많이 사용되기도 한다.

연산자	연산자 기능
&	AND 연산
|	OR 연산
^	XOR 연산(두 개의 bit가 다르면 1 반환)
~	피연산자의 모든 비트 반전
<<	피연산자의 비트 열을 왼쪽으로 이동
>>	피연산자의 비트 열을 오른쪽으로 이동

 

→ ~ NOT 연산자를 사용할 때 맨 앞의 MSB도 반전되어 부호마저 바뀜에 주의!

 

→ <<는 비트를 왼쪽으로 이동: 왼쪽으로 이동하며 생기는 오른쪽 빈칸은 0으로 채워지고 밀려나는 왼쪽 비트들은 그냥 버려진다. 그리고 왼쪽으로 1칸씩 이동할 때마다 정수의 값은 두 배가 된다. 따라서 상황에 따라 곱셈 나눗셈 연산은 비트의 이동연산으로 대체되며 성능 향상. CPU 입장에서는 곱셈과 나눗셈이 비트의 이동보다 부담스럽기 때문.

 

→ >>는 비트를 오른쪽으로 이동: 오른쪽으로 1칸씩 이동할 때마다 정수는 2로 나누어진다. 그러나 음수라면 오른쪽으로 이동할 때 부호 bit를 1로 유지하는 CPU가 있고, 아닌 CPU가 존재. 

 

* 예제)

#include <stdio.h>

int main(void) {
  int num1 = 15;
  int num2 = 20;
  int num3 = num1 & num2;
  int num4 = -16;

  printf("num1 AND num2: %d\n", num3); //00000100 = 4
  printf("num1 OR num2: %d\n", num1|num2); //00011111 = 31
  printf("num1 XOR num2: %d\n", num1^num2); //00011011 = 27
  printf("~ num2: %d\n", ~num2); //-21 (after +1 -> -21)
  printf("after moving 1 bit(right-wise): %d\n", num4>>1);
  return 0;
}

 

* 입력받은 정수 값의 부호를 바꿔 출력하는 프로그램

#include <stdio.h>

int main(void) {
  int num;
  printf("enter your num: ");
  scanf("%d",&num);

  num = ~ num;
  num += 1;

  printf("the result is: %d\n", num);
  return 0;
}

 

* 주어진 x와 y에서 shift operator만을 활용하여 1, 2, 3, 4, 5, 6을 모두 출력하기 (>>의 결과 2로 나눈 몫이 나온다)

#include <stdio.h>

int main(void) {
  int x = 7, y = 10;
  printf("%d\n",y>>3); //1
  printf("%d\n",(y>>3)<<1); //2
  printf("%d\n",x>>1); //3
  printf("%d\n",(y>>3)<<2); //4
  printf("%d\n",y>>1); //5
  printf("%d\n",(x>>1)<<1); //6
  return 0;
}

5. 상수와 기본 자료형

⑥ 자료형은 데이터를 표현하는 방법

→ 변수를 만들기 위해 메모리 공간을 할당할 때 (1) 정수 저장인지 / 실수 저장인지 확인 + (2) 저장하기 위해 몇 바이트를 사용할 것인지

→ 기본 자료형의 종류와 데이터의 표현범위(VC++ compiler 기준)

자료형	크기	값의 표현범위
char (정수형)	1 byte	-128 ~ +127
short (정수형)	2 byte	-32768 ~ +32767
int (정수형)	4 byte	-2147483648 ~ + 2147483647
long (정수형)	4 byte / 8 byte	-2147483648 ~ + 2147483647
long long (정수형)	8 byte	- 9223372036854775808 ~ + 9223372036854775807
float (실수형)	4 byte	~
double (실수형)	8 byte	~
long double (실수형)	more than 8 bytes	double 이상의 표현 범위

 

→ 표현에 사용되는 바이트의 크기가 클수록 표현할 수 있는 값의 범위가 넓어진다.

→ 자료형 별로 크기를 정확히 제한하고 있지는 않다. compiler별로 약간 다르다.

→ 데이터 표현 방식이 다르므로 최소 2 개 이상의 자료형을 만들어야 하고(정수형 / 실수형), 메모리의 적절한 사용을 위해 다양한 크기의 자료형 필요

 

⑦ 연산자 sizeof(함수 x)

→ 자신이 사용하는 compiler의 자료형별 byte 크기 확인 가능 - 메모리 공간에서 소모하는 메모리의 크기를 알 수 있음

#include <stdio.h>

int main(void) {
  int num = 10;
  int sz1 = sizeof(num);
  int sz2 = sizeof(int);

  printf("size of int type: %d\n", sz2);
  printf("size of num variable: %d\n", sz1);
  return 0;
}

/*
size of int type: 4
size of num variable: 4
*/

 

⑧ 정수를 표현 및 처리하기 위한 일반적인 자료형의 선택

→ 값의 범위만 가지고 어떤 자료형으로 표현할 수 있을 지는 모른다. 일반적으로 CPU가 처리하기에 가장 적합한 크기의 정수 자료형을 int로 정의. int형 연산의 속도가 다른 자료형의 연산속도에 비해 동일하거나 더 빠르다. 따라서 int보다 작은 크기의 데이터는 int형 데이터로 바꿔서(형 변환) 연산이 진행된다.

 

ex) 아래 예제 확인

#include <stdio.h>

int main(void){
  short num1 = 300, num2 = 200;
  char num3 = 4, num4 = 5;
  printf("size of num1 and num2: %d, %d\n",sizeof(num1), sizeof(num2));
  printf("size of num3 and num4: %d, %d\n",sizeof(num3), sizeof(num4));
  printf("size of char add: %d\n", sizeof(num1+num2));
  printf("size of short add: %d\n", sizeof(num3+num4));
}
/*
size of num1 and num2: 2, 2
size of num3 and num4: 1, 1
size of char add: 4
size of short add: 4
*/

 

→ 그러나 int형보다 범위가 작은 short, char 형은 데이터의 양이 많아서 연산속도보다는 당장의 데이터 크기를 줄이는 것이 더 중요할 경우 많이 사용된다. 즉, 크기에 민감한 데이터를 사용할 때

 

⑨ 실수를 표현 및 처리하기 위한 일반적인 자료형의 선택

→ 실수 자료형에 있어서 가장 중요한 요소는 정밀도이다. 정밀도란, '오차가 발생하지 않는 소수점 이하의 자릿수' , 즉 몇 자리까지는 오차가 발생하지 않음을 보장하는 범위이다.

실수 자료형	소수점 이하 정밀도	바이트 수
float	6자리	4
double	15자리	8
long double	18자리	12

 

→ double이 보편적으로 사용된다. float보다 정밀도가 높으면서도 long double보다는 부담이 덜 되기 때문

 

* 예제) 원의 반지름을 입력 받아서 원의 넓이를 출력하는 문제

#include <stdio.h>

int main(void) {
  double rad, area;
  printf("enter radius: ");
  scanf("%lf",&rad);

  area = rad * rad * 3.1415;
  printf("area of the circle is: %f\n", area);
  return 0;
}

/*
enter radius: 2.2
area of the circle is: 15.204860
*/

 

⑩ unsigned

→ 정수 자료형에 한해서, 앞에 unsigned 선언을 추가하면 0 이상의 값만 표현하는 자료형이 된다. 따라서 정수로 표현할 수 있는 값의 범위가 양의 정수 방향으로 2배 넓어지게 된다. 예를 들어 char형은 -128 ~ +127까지 표현이 가능했는데, unsigned char가 되면 표현할 수 있는 값의 범위가 0이상 +255가 된다.

→ unsigned 값을 붙이면 맨 앞의 MSB가 값의 크기를 나타낼 수 있는 bit로 사용하게 되면서 표현할 수 있는 값이 0 이상의 범위로 두 배가 된다. (즉 default는 signed이며 signet int나 int나 동일)

 

⑪ ASCII 코드

→ 문자를 표현하려면 숫자와 문자를 mapping해주어야 한다. 문자를 표현하기 위해서는 작은 따옴표, printf()로 출력하기 위해서는 conversion specifier로 %c 사용. 문자를 저장할 때는 char 형 사용

→ 문자는 정수로도 출력이 가능하고, 이 때 mapping한 ASCII 표준에 따라(예를 들어 A는 65번) %c인지, %d인지에 따라 출력된다.

#include <stdio.h>

int main(void) {
  char ch1 = 'A';
  int ch2 = 90;
  printf("%c %d\n", ch1, ch1);
  printf("%c %d\n", ch2, ch2);
  return 0;
}
/*
A 65
Z 90
*/

 

* 참고) ASCII 표

 

⑫ 상수

* 상수란 '변경이 불가능한 데이터'

<1> 이름이 없는 상수 (literal 상수 / literal)

ex) int num = 30 + 40;

→ 먼저 첫번째로 정수 30과 40이 메모리 공간에 상수의 형태로 저장된다. 그 다음 두 상수를 기반으로 덧셈이 진행되고, 덧셈의 결과로 얻어진 정수 70이 변수 num에 저장된다.

→ 즉, 30과 40을 서로 연산하기 위해서는 일단은 메모리에 올려야 CPU가 연산을 진행한다. 이 때 변수를 따로 만들지 않았기 때문에 변수의 이름이 없는 상수가 되어서 메모리에 올라가게 된다.

#include <stdio.h>

int main(void) {
  int num1 = 3 + 4;
  int num2 = 7 + num1;
  double num3 = 2.12 + 7.49;
  return 0;
}

 

: 따라서 위 코드에서 상수의 개수는 5개가 된다.

 

→ sizeof()를 이용해서 literal constant의 크기를 확인할 수 있다.

#include <stdio.h>

int main(void) {
  printf("%d\n",sizeof('A')); //4
  printf("%d\n",sizeof(7)); //4
  printf("%d\n",sizeof(7.14)); //8
  return 0;
}

 

: 문자 'A'는 65로 바뀌어서 4바이트 크기의 int형으로 표현됨을 알 수 있다.

 

→ 기본적으로 int형 / double형으로 각각 정수와 실수 연산을 진행하므로 만약 float라고 명시해서 아래와 같이 코드를 작성한다면,

#include <stdio.h>

int main(void) {
  float num1 = 5.789;
  float num2 = 3.24 + 5.12;
  return 0;
}

 

: 기본적인 double 형태의 실수를 float형 변수에 저장하므로 데이터가 잘려나갈 수 있는 경고 메시지가 뜬다. 따라서 자동적으로 double형 상수가 되는 상수를 float형 상수로 바꾸려면 상수의 뒤에 f(F)를 붙여 주면 된다.

 

→ 이와 같이 상수가 다양한 자료형을 표현할 수 있도록 뒤에 다양한 접미사를 붙이게 할 수 있다.

접미사	자료형	사용의 예
U	unsigned int	unsigned int n = 1025U
L	long	long n = 2467L
UL	unsigned long	unsigned long n = 3456UL
LL	long long	long long n = 5768LL
ULL	unsigned long long	unsigned long long n = 8979ULL
F	float	float f = 3.15F
L	long double	long double f = 5.789L

 

<2> 이름을 지니는 심볼릭 상수 (symbolic 상수 / const)

→ const 키워드를 이용해서 상수를 만들 수 있다(매크로 이용은 나중에!)

→ 상수이기 때문에 선언과 동시에 초기화 필수

 

※ 변수와 다르게 상수는 값의 변경이 불가능하다. 상수의 이름은 모두 대문자 / 둘 이상의 단어로 연결할 때는 언더바 이용해서 단어 구분

 

ex) 아래 예제 확인

#include <stdio.h>

int main(void) {
  double r;
  const double PI = 3.141592;
  double area;
  
  printf("enter the radius: ");
  scanf("%lf",&r);

  area = PI * r * r;
  printf("area is %.2f\n", area);
  
  return 0;
}

 

⑬ 자료형의 변환

<1> 자동 형 변환

→ 대입 연산자의 왼편과 오른편 각각의 두 피연산자의 자료형이 일치하지 않으면, 왼편에 있는 피연산자를 대상으로 형 변환이 자동으로 일어난다. (저장소의 자료형의 우선순위가 더 높기 때문)

 

ex) double num1 = 245; (int형 정수를 double형으로 자동 형 변환: 245가 245.0으로 변환되어 num1에 저장)

ex) int num2 = 3.1415; (double형 실수를 int형으로 자동 형 변환: 3.1415가 3으로 변환되어 num2에 저장)

 

→ 이렇게 실수형 데이터를 정수형 데이터로 변환하는 과정에서는 '소수부의 손실'이 발생한다.

 

→ 바이트 크기의 크기가 큰 정수를 크기가 작은 정수로 형 변환을 진행하는 경우 상위 바이트가 단순히 소멸된다. 상위 바이트의 손실로 부호가 바뀔 수도 있다. 반대로 바이트 크기가 작은 정수를 큰 정수로 변환을 할 때는 데이터의 손실이 발생하지는 않는다.

 

ex)

#include <stdio.h>

int main(void) {
  int num3 = 129;
  char ch = num3;
  printf("%d\n", ch); //-127 10000001
  
  return 0;
}

 

: 129를 int형 자료형 변수에 넣었는데 char형으로 자료형을 바꾸니 -127로 나왔다.

 

→ 정수의 승격(Integral Promotion)

: CPU가 처리하기에 가장 적합한 크기의 정수 자료형을 int로 정의해서, int형 연산의 속도가 다른 자료형의 연산속도에 비해서 동일하거나 더 빠르다.

 

ex) short num1 = 15, num2 = 25; short num3 = num1 + num2;

: 위 코드에서는 num1+num2 연산 과정은 int형으로의 자동 형 변환이 발생하고 다시 short형으로 형 변환이 일어난다. 따라서, short → int → short로 두 차례의 자동 형 변환 발생

 

→ 피연산자의 자료형 불일치

: 데이터의 손실을 최소화하는 방향으로 진행한다. 예를 들어서 int형 정수와 long형 정수를 대상으로 덧셈연산을 진행한다면 화살표 방향에 따라서 int형 정수가 long형 정수로 자동 형 변환된다. 만약 char형 정수와 short형 정수를 대상으로 연산을 진행한다면 무조건 정수의 승격에 의해서 int형 정수로 형 변환된다. 실수 자료형이 데이터 손실을 최소화하므로 4바이트 크기의 float이 8바이트 크기의 long long보다 형 변환 우선순위가 높다.

 

<2> 명시적 형 변환: 강제로 일으키는 형 변환

→ 형 변환 연산자(type casting operator)를 이용해서 강제로 형 변환을 명령한다. 

 

ex)

#include <stdio.h>

int main(void) {
  int num1 = 3, num2 = 4;
  double res;
  res = num1 / num2;
  printf("result is: %f\n", res);
  
  return 0;
}
//result is: 0.000000

 

: int형 정수를 대상으로 나눗셈을 진행해서 나눗셈 결과는 0이 된다. 그리고 double로 자동 형 변환되어 출력하면 0.000000이 나온다.

 

→ 따라서, 변수 한 곳에 (double)을 붙이면 산술연산의 형 변환 규칙에 의해 num2에 저장된 값도 자동으로 double로 자동 형 변환. 따라서 결과로 0.75가 나온다. (자동 형 변환이 발생하는 경우도 형 변환을 명시해주는 것이 좋다. 코드의 분석을 돕는 효과)

#include <stdio.h>

int main(void) {
  int num1 = 3, num2 = 4;
  double res;
  res = (double)num1 / num2;
  printf("result is: %f\n", res);
  
  return 0;
}//result is: 0.750000

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* 내용 전체 출처 <윤성우의 열혈 C 프로그래밍>

* 사진 일부 출처 https://donghwada.tistory.com/44