[프로그래밍언어론] Concepts of Programming Languages

 

이 글은 국민대학교 강승식 교수님의 '프로그래밍언어론' 수업을 토대로
개인적으로 학습한 내용입니다.

 

 

1.1 프로그래밍 언어란 무엇인가?

 

인간이 컴퓨터로 수행하고자 하는 바를 컴퓨터에게 전달하기 위한 표현법의 발전 과정

 

1940년 이전

 

Hard-wired 방법으로 컴퓨터 내부 스위치 세팅

 

-> 컴퓨터의 내부 회로를 물리적으로 변경하여 프로그램을 수행해야 하므로 매우 제한적임

1940년대

 

폰노이만 컴퓨터 (stored programming)

 

-> 일련의 명령코드로 작성, main memory에 저장

 

어셈블리어 탄생

 

-> 기계 종속성(특정 컴퓨터 아키텍처에 맞게 작성), 저급수준의 추상화, 읽고 쓰기 어려움(기계어에 비해서는 훨씬 더 읽고 쓰기 쉬움)

 

프로그래밍 언어의 정의

 

프로그래밍 언어는 기계가 읽을 수 있고, 사람이 읽을 수 있는 형식으로 계산을 서술하기 위한 표기 체계임

 

특성을 살펴보면

 

• 계산 (computation)
  
  • Turing machine : 수학적 개념으로 형식적인 정의
  • 컴퓨터가 수행 가능한 모든 작업
    
    
• Machine-readable
  • Machine independent (언어 자체는 특정 컴퓨터 아키텍처에 맞춰서 작성되지 않아야함)
  • 모호하지 않고, 유한한 단계적 처리로 번역 가능한 알고리즘이 존재해야함
• Human-readable
  • 컴퓨터 행위를 읽기 쉽도록 추상화시키는 방법을 제공

프로그래밍 영역과 고급 언어

 

과학 계산 : Fortran

 

사무 응용 : Cobol

 

인공 지능 : Lisp, Prolog

 

시스템 SW : C

 

웹 SW : JavaScript, PHP, ASP

 

앱 SW : Objective-C, Java

 

교육용 : Basic, Pascal, ML, Haskell

 

Script languages : Perl, Python, Ruby

Shell programming : AWK, Tcl/Tk

GUI : MFC, C#, Visual Basic

 

 

1.2 프로그래밍 언어를 배우는 이유

 

1. 현재 사용하는 언어를 더 잘 이해하게 됨

 

2. 유용한 프로그래밍을 구사하는 능력을 증대시킴

 

3. 적합한 언어를 선택하는 능력을 증대시킴

 

4. 새로운 언어를 배우기 쉽게 해줌

 

5. 새로운 언어를 설계하기 쉽게 해줌

 

6. 구현의 중요성을 이해하고 이미 알고 있는 언어를 더 잘 사용할 수 있음

 

7. 생각을 표현하는 능력을 향상시킴

 

8. 전반적으로 computing에 대한 이해도를 향상시킴

 

 

1.3 프로그래밍 언어에서의 추상화

 

일반적으로 추상화(abstraction)란 속성들의 일부분만을 가지고 주어진 작업이나 객체들을 필요한 정도로 묘사할 수 있는 방법을 지원하는 것임

 

프로그래밍 언어의 추상화는 데이터 추상화(= 자료 추상화)와 제어 추상화(= 알고리즘 추상화)의 두 가지 범주로 나뉨

 

 

추상화는 추상화에 포함된 정보의 양으로 수준을 나눌 수가 있음

 

• 기본적 추상화(basic abstraction) : 가장 국지적인 기계 정보를 수집한 추상화
  
  
• 구조적 추상화(structured abstraction) : 프로그램의 구조에 대한 보다 전역적인 정보에 관한 추상화
  
  
• 단위 추상화(unit abstraction) : 단위 프로그램 전체 정보에 관한 추상화

 

단계가 나아갈수록 더 큰 단위로의 추상화라고 생각하면됨

 

Data abstraction

 

자료 추상화(데이터 추상화)는 문자열, 수, 탐색 트리와 같은 계산의 주체가 되는 자료의 특성을 추상화함

 

basic abstraction (기본적 추상화)

 

 

컴퓨터 내부의 자료 표현을 추상화함

 

ex.

1. 기억 장치의 위치 -> 변수
2. 자료의 값 -> 2진법 표기가 아닌 정수, 실수와 같은 자료형

 

등 으로 추상화 됨

 

메모리에 저장되는 데이터 타입 제약 
char, int, float, double, Boolean, string, pointer

 

 

structured abstraction (구조적 추상화)

 

 

관련된 자료값의 집합을 추상화함

 

ex. 배열, 레코드

 

 

구조적 추상화된 자료형들을 구조 자료형(structured type) 또는 단순히 구조형이라고 부르기도 함

 

-> 구조형은 기계 내부 표현이 아니라 프로그래머가 필요에 따라 생성한 새로운 자료형으로 볼 수 있음

 

메모리 블록에 명칭 부여 (변수, 배열, 구조체)
type arr = array[1..10] of real;

 

unit abstraction (단위 추상화)

 

 

큰 프로그램에서는 한 자료형의 생성과 사용에 대한 정보를 한 장소에 모아두고, 자료의 세부 사항에 대한 접근을 제한할 필요가 있음

 

(자료형의 구조에 대한 변경이 프로그램 전체에 영향을 주지 않을 뿐만 아니라 프로그래머가 항상 자료 구조의 세부 사항을 염두에 두지 않아도됨)

 

-> 이러한 체계를 자료 캡슐화 혹은 추상 자료형이라고 하며, 이는 unit abstraction의 대표적인 예시임

 

ex. Modula-2의 module, Ada의 package, Java의 class

 

public class BankAccount {
    private double balance;

    public void deposit(double amount) {
        balance += amount;
    }

    public void withdraw(double amount) {
        if (balance >= amount) {
            balance -= amount;
        }
    }

    public double getBalance() {
        balance += 0.01; // 내부 구현 변경: 잔고에 0.01 추가
        return balance;
    }
}

 

위 예시 Java 코드를 보면 BankAccount 클래스는 계좌 잔고와 관련된 모든 코드를 한 곳에 모아두고 있는 것을 확인할 수 있음

 

Process abstraction

 

제어 추상화(알고리즘 추상화)는 현 상황에 따라 실행 순서의 수정을 위한 제어의 특성을 추상화함

(ex. 반목분, 조건문, 프로시저 호출이 여기에 해당됨)

 

=> 여러개의 문장을 더 큰 하나의 단위로 추상화

 

basic abstraction (기본적 추상화)

 

 

계산과 값의 저장을 추상화함

 

 

-> 여러개의 기계 명령어를 모아 이해하기 쉬운 추상 구문으로 만든 것

 

ex.  x := x + y (배정문)

 

-> 위의 배정문은 변수 x의 값을 기억장소에서 가져와 변수 y 값을 더한 후에 기억 장소 x에 다시 저장하는 것을 의미함

 

structured abstraction (구조적 추상화)

 

 

프로그램에서 어떤 검사된 값에 따라 분할된 명령어의 한 그룹을 수행하도록 하는 것임

 

ex. if문, case문, switch문 등의 택일문과 각종 반복문들과 부프로그램 호출

 

-> 구조화된 제어 구조의 한 가지 장점은 이 제어 구조들이 다른 제어 구조 안에 내포될 수 있음

 

 

키워드는 다르지만 기본적으로 유사함

 

Java와 Ada에서의 structured abstraction 예시인데

Ada에서 endif의 사용은 Java에서 중괄호( {..} ) 사용을 없애며 매우 중요함

 

 

더욱 막강한 구조적 제어추상화는 프로시저 혹은 서브루틴이라고 부르는 부프로그램의 사용임

 

프로시저 추상화는 밑의 두 가지를 포함해야함

 

• 프로시저는 이름과 실행해야 할 동작이 결합되어야함
  
  -> 이를 프로시저 선언이라고 하는데, 변수의 형 선언과 유사함
  
  
• 프로시저는 실제로 실행되어야 할 곳에서 호출되어야함
  
  -> 프로시저 호출(invocation) 혹은 프로시저 액티베이션(activation)이라고함
  
  

u, v, x는 프로시저에 대한 매개변수로서 프로시저의 호출 시마다 값이 변함

 

 

위 예시 코드는 Modula-2 프로그램인데

 

SUBROUTINE gcd(u, v, x)

...

END

 

Fortran에서의 프로시저는 다음과 같은 서브루틴으로 선언됨

 

프로시저 호출은 선택문이나 반복문보다 훨씬 복잡한 구조임

프로시저를 호출하려면 호출 당시의 프로그램 상태를 저장하여야 되는데,
이러한 정보는 실행 환경 (runtime environment)에 저장됨

 

unit abstraction (단위 추상화)

 

 

라이브러리처럼 프로시저의 집합을 추상화할 수 있음

 

ex. 자료 관리 프로그램에서 평균, 표쥰 편차 등 통계에 관련된 프로그램들을 모아서 하나의 프로그램 단위로 만들고 이를 따로 컴파일 하여 다른 프로그램에서 사용할 수 있음

 

 

최근 언어에서 제공하는 추상 자료형은 자료 추상화와 제어 추상화를 모두 지원하는 단위 추상화이며

 

• Modula-2의 module
  
  
• Ada의 package
  
  
• C++와 Java의 class

 

등이 이에 속함

 

위의 어떤 범주에도 들지 않는 제어 추상화로서 병행 프로그래밍이 있음
즉, 현대의 많은 컴퓨터는 다수의 프로세서를 가지고 여러 자료를 동시에 처리할 수 있음

-> 많은 프로그래밍 언어가 병렬로 실행되는 프로그램들간에 동기화와 통신을 하기 위한 방법을 제공함

ex. Moudla-2의 코루틴, Ada의 task, Java의 멀티 스레드(multithread) 등이 병행 프로그래밍을 지원함

 

 

모든 추상화는 결국 프로그램을 사람이 읽고 작성하기 쉽도록 한 것임

 

프로그래밍 언어가 계산만을 위한 것이라면 모든 종류의 계산을 기술할 수 있으면 족함

-> 이러한 언어를 튜링 컴플릿(turing complete)하다고 함

 

(프로그래밍 언어가 이론적으로 모든 계산 가능한 문제를 해결할 수 있는 튜링 머신과 동일한 계산 능력을 가졌음을 의미함)

 

보통 명령문 5개 정도면 turing complete를 만족할 수 있다고함

 

1.4 계산 전형 (computing paradigm)

 

프로그래밍 언어는 컴퓨터의 연산을 모방하고 추상화하는 데서 시작됨

 

-> 컴퓨터의 구조가 언어설계에 영향을 미칠 수 밖에 없었음

 

즉, 프로그래밍 언어는 

 

• 명령의 순차적 실행
  
  
• 기억장소 위치를 표현하는 변수의 사용
  
  
• 변수의 값을 변경하기 위한 배정문의 사용

 

으로 특정지을 수 있음

 

=> 이러한 언어를 명령형 언어(imperative language) 또는 절차 언어 (procedural language) 라고 함

오늘날의 대부분 언어는 명령형 언어이지만, 많은 자료에 동시 적용될 수 있는 계산, 비결정적인 계산, 순서에 의존하지 않는 계산을 기술하는데 매우 비효율적임

 

=> 계산이 순차적 명령에 의하여 실행되어야 한다는 것이 폰노이만 병목 현상을 불러일으킴

(명령형 언어로는 인공지능을 다루기 힘듬)

이를 극복하기 위해 함수 개념에 기반을 둔 함수형 언어, 기호 논리학에 기반한 논리형 언어가 탄생함

 

• 명령형 언어 (또는 절차적 언어)
  
  => 변수와 배정문 사용, 폰노이만 병목 현상(순차적 실행으로 인해)
  
  
• 함수형 언어 : Lisp
  
  => 함수의 평가 및 호출 방법 제공, 변수와 배정문이 없음, 반복문이 없어서 재귀함수로 구현함
  
  
• 논리형 언어 : Prolog
  
  => 선언적 언어, 기호 논리학에 근거
  
  

이 때 소프트웨어가 거대해지며 코드의 길이가 길어졌고 이에 관리의 어려움을 느껴 객체지향 언어가 탄생함

 

• 객체지향 언어
  
  => 기억장소와 이 기억장소의 값을 변경할 수 있는 연산의 집합인 객체를 사용함

 

절차형  vs 함수형 프로그래밍 (Modula-2)

 

PROCEDURE gcd (u,v : INTERGER; VAR x : INTERGER);
VAR y, t : INTERGER
BEGIN
	x := u ; y := v ;
	LOOP
		IF y <= 0 THEN
	          EXIT
		END ;
		t := y;
		y := x MOD y;
		x := t;
	END;
END gcd;

 

PROCEDURE gcd (u,v : INTERGER) : INTEGER ;
BEGIN
	IF v = 0 THEN
		RETURN u ;
	ELSE
		RETURN gcd (v, u MOD v) ;
	END;
END gcd;

 

Modula2의 2가지 코드를 살펴보면

 

1. recursive로 인해 길이 차이가 있음

 

2. 재귀를 사용하는 코드는 변수를 나열하지 않고 함수 시퀀스(함수의 흐름)를 사용 

 

를 알 수 있음

 

논리형 프로그래밍 (Prolog)

 

특징 : 계산의 실행 순서(how) 대신 무엇을 하려고 하는가(what)을 선언하는 것이며 반복이나 선택 개념이 불필요함

 

최대공약수(gcd)에 대한 논리적 기술을 보면

• v = 0 이면 u 와 v 의 gcd 는 u 이다.
• v > 0 이면 u 와 v 의 gcd 는 v 와 u mod v 의 gcd  와 같다.

 

이므로

 

 

 

위 사진은 논리적 기술에 대한 Prolog 프로그램임

 

객체 지향 언어 예시

 

 

 

Programming Language Paradigm

 

 

• 컴퓨터 H/W 구조와의 연관성
  
  
  • Von Neumann 아키텍처
    
    
• S/W 설계 방법론과의 연관성
  
  
  • 구조적 설계 vs 객체지향 설계
    
    
• 인간의 사고 방식과의 연관성

 

고급언어의 4가지 패러다임

 

명령형, 함수형, 논리형, 객체지향 언어

 

• Imperative(procedural) languages
  
  
  • Algol, Cobol, PL/1, C, Modula
    
    
• Functional languages
  
  
  • Lisp, Haskel, ML, APL
    
    
• Logic languages
  
  
  • Prolog
    
    
• Object-oriented languages
  
  
  • Smalltalk, Simula, C++, Java, Ruby
    
    (Ruby와 Python은 스크립트 언어인데 Python은 하이브리드 언어라서 제외)