1.
잘 알다시피 C언어는 원래 '이식성 있는 어셈블리'를 표방할 정도로 고수준 언어의 탈을 쓴 뭐랄까.. 안에서 돌아가는 모든 내부 과정이 있는 그대로 투명하게 노출되고, 프로그램이 메모리 내부에서 다루는 모든 물건들은 비트와 바이트 단위로 접근 가능한 식으로.. 모든 것을 프로그래머 재량에 맡기는 가볍고 이상야릇한 언어라는 성격이 강했다.
그래서 static/global을 제외하면 변수값의 초기화도 몽땅 수동으로 해야 하고, 배열 첨자 체크가 없고 심지어 문자열 타입도 없고.. 뭐 그랬다.
그 대신 공용체와 비트필드 같은 변태스러운 물건은.. C 말고 도대체 다른 어떤 언어에서 찾을 수 있겠는가? 단적인 예로, 부동소수점을 부호, 지수, 가수부별로 쪼개서 내부 구조가 어떻게 돌아가는지 보여주는 프로그램을 C 말고 다른 언어로 만드는 건 직관적이지 못하고 꽤 귀찮은 일이 될 것이다.
내가 직접 코드를 작성하지 않았는데 C가 언어 차원에서 자동으로 해 주는 일이라고는 환경변수 세팅이라든가 main 함수에 전달되는 argument의 파싱 같은 정말 최소한의 초기화밖에 없다시피했다.
하지만 C++은 언어 차원에서 몰래 하는 일이 더 있다. 우리가 빌드하는 프로그램에 코드가 추가되기 때문에 그 존재감과 오버헤드에 대해서 최소한의 인지는 하고 있어야 하는 것들이 종종 있다.
생성자와 소멸자, 임시 R-value 오브젝트, 암시적인 형변환 같은 건 그야말로 기본 중의 기본이고.. 가상 함수가 호출되는 원리도 아주 흔한 예다. C로 표현하자면 pData->vptr->pfnFuncXXX(pData, ...) 과 같은 급의 다단계 포인터 참조 오버헤드가 발생한다. 이런 건 C++ 한다는 사람이 아무리 초짜라도 절대로 몰라서는 안 된다.
가상 상속 정도면 가상 함수보다는 훨씬 볼 일이 없는 물건이다. 컴파일 타임 때 미리 계산된 오프셋으로 기반 클래스를 참조하는 게 아니라 기반 클래스의 위치 자체를 포인터를 통해 런타임 때 얻어 온다고 생각하면 된다.
더 어려운 걸로 내려가자면 pointer-to-member가 구현된 원리가 있는데, 이것도 forward 선언된 클래스 + 다중 상속이라는 변수를 만나면 내부 구현이 더럽게 복잡해지며 컴파일러간의 바이너리 호환성도 깨진다. C++에서 한번 홍역을 치른 뒤에 다른 언어에서는 별로 도입할 생각을 안 하고 있다.
global scope에 속한 객체들이 생성자와 소멸자가 호출되는 타이밍, 순서와 원리도 알아두면 좋다. 이식성을 위해서는 global 객체를 만들지 말고, 번거롭지만 차라리 포인터만 만들어 놓고 new와 delete를 프로그램이 수동으로 하는 게 권장되고 있다.
Exception이라는 것도 아주 요상한 물건이고...
끝으로, 언어 차원에서 지원되기 시작한 RTTI(런타임 시점에서의 타입 정보 인식) 기능도 있다. 하지만 이건 제대로 쓰이지는 않는 것 같다. dynamic_cast, typeid 같은 연산자 말이다. 가상 함수가 존재하는 모든 클래스들에는 자동으로 언어 차원에서의 타입 식별 정보가 추가된다.
얘는 구현 오버헤드가 만만찮으며, 언어의 기능에 의존하지 않고 자체적으로 RTTI를 구현한 레거시 코드도 많기 때문에 결국 컴파일러 옵션이 지정되었을 때만 지원되는 기능이 되었다. Visual C++의 경우 /GR 옵션이다.
개발 역사가 오래 됐고 다중 플랫폼을 지원하는 어지간한 프로젝트들은 이 기능을 사용하지 않는다. 마치 문자열 클래스만큼이나 파편화와 중복 구현이 난립해 있다.
사실, RTTI가 제대로 지원되려면 가상 함수가 존재하는 모든 오브젝트들이 공통으로 상속하는 베이스 클래스라는 개념도 있어서 그 베이스 클래스에서 타입 식별과 관련된 멤버들을 제공해야 하지 않나 싶다.
C++은 언어 차원에서의 개입을 최소화한다는 철학을 가진 언어에서 출발했는데 점점 기능이 비대해지고 언어 차원에서의 개입이 늘고 있다.
2.
포인터는 CPU가 메모리 위치를 식별할 때 사용하는 숫자로, 일반적으로는 machine word와 다를 바 없는 아주 가볍고(= 함수 인자로 값을 그대로 넘겨줄 수 있는) 단순한 자료형이다.
여느 자료형의 포인터는 정수와 reinterpret_cast로 형변환이 가능하다. 함수의 포인터는 + - 산술 연산이 되지 않지만 그래도 역시 정수와 교환이 된다.
하지만 포인터가 machine word 하나와 딱 대응하지 않을 때도 있다.
과거 16비트 시절에는 64KB보다 더 큰 영역의 메모리에 접근하기 위해 세그먼트 번호를 추가로 묶은 far pointer라는 게 있었으며 far은 예약어였다. 뭐 그래 봤자 이 포인터는 32비트 long 정수 하나에 대응했으니, Windows 프로그래밍에서는 L이라는 접두어로 원거리 포인터를 표현했다. LPSTR, LPVOID, LPCWSTR 등.
32/64비트로 오면서 그런 구분이 없어졌기 때문에 접두어 L은 불필요한 잉여가 되었다. 본인 역시 PSTR, PVOID, PCWSTR이라고만 쓴다.
단, PVOID는 winnt.h에 typedef로 정의돼 있는데 const void *는 왜 PCVOID라고 정의돼 있지 않고 여전히 LPCVOID만 있는지는 본인이 알 길이 없다. 믿어지지 않으면 한번 검색해 보시기 바란다. 정말 없다.
그리고 다음으로 machine word 하나와 딱 대응하지 않는 대표적인 기괴한 포인터는 아까도 잠깐 언급됐던 C++의 멤버 포인터이다. 다중 상속은 포인터간의 형변환이 일어났을 때 단순 언어적인 semantic뿐만 아니라 주소값 자체가 바뀔 수도 있는 상황을 만들었으며, pointer-to-member는 이를 보정하는 정보를 담느라 크기가 언제나 machine word 하나에 딱 들어가는 게 보장되지 않게 만들었다.
그래서 멤버 포인터는 신기하게도 reinterpret_cast나 C-style 캐스트로도 결코 숫자로 형변환이 되지 않는다. 숫자 하나가 아니라 구조체 같은 완전 생뚱맞은 자료형으로 취급된다. 크기와 내부 구현이 어떻게 가변적으로 달라질지 모르기 때문에 이것만은 C의 철학과는 정반대로 내부 구현과 접근을 프로그래머로부터 싹 감추고 숨겨 버렸다. 이거 굉장한 이질감이 느껴지지 않으신가?
자주 발생하는 일은 아니지만 구조체에서 어떤 멤버가 구조체의 시작 지점으로부터 정확하게 몇 바이트째 오프셋에 있는지 알고 싶을 때가 있다. 당연한 말이지만 이건 컴파일 타임 때 값이 결정되는 상수이다.
이럴 때 흔히 사용하는 방법은 &((STRUCTURE *)0)->member이다. 이렇게 해도 동작은 잘 하지만 그래도 더 깔끔한 방법이 있었으면 좋겠다는 생각이 든다.
개인적으로는 &STRUCTURE::member가 제일 직관적이고 깔끔한 형태라고 생각한다. 이건 pointer-to-member에 대입 가능한 멤버 주소를 얻을 때 사용하는 문법이다.
member가 static 데이터 멤버라면 저 값은 그놈 자신의 주소가 될 것이고, non-static이라면 메모리 주소가 아니라 자신의 오프셋이 된다. 비록 pointer-to-member(데이터 멤버)가 단순 오프셋의 superset으로서 그 이상의 추상적인 자료형이긴 하지만, 결국은 내부적으로도 오프셋을 갖고 있는 꼴이기 때문에 int형으로 reinterpret_cast도 됐으면 하는 생각이 든다. &((STRUCTURE *)0)->member을 안 써도 되게 말이다.
요즘 C++이 캡처가 없는 람다에 한해서 람다를 함수 포인터로 캐스트하는 것도 지원하듯이, 저것도 같은 맥락에서 정수형과 호환됐으면 하는 아쉬움이 남는다.
Posted by 사무엘
