CS50 강의 정리

1. 컴퓨팅 사고

알고리즘은 입력(input)에서 받은 자료를 출력(output)형태로 만드는 처리 과정

 

즉, 알고리즘이란 입력값을 출력값의 형태로 바꾸기 위해 어떤 명령들이 수행되어야 하는지에 대한 규칙들의 순서적 나열

알고리즘을 평가할 때는 정확성도 중요하지만, 효율성도 중요

 

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3. 배열

1) 컴파일링

make나 clang을 사용해서 프로그램을 실행할 때 아래 네 개의 단계를 거칩니다.

• 전처리
• 컴파일링
• 어셈블링
• 링킹

 

우리가 명령어를 실행할 때 정확히 어떤 일이 일어나는지 알아보도록 하겠습니다.

 

전처리(Precompile)

컴파일의 전체 과정은 네 단계로 나누어볼 수 있습니다. 그 중 첫 번째 단계는 전처리인데, 전처리기에 의해 수행됩니다. # 으로 시작되는 C 소스 코드는 전처리기에게 실질적인 컴파일이 이루어지기 전에 무언가를 실행하라고 알려줍니다.

예를 들어, #include는 전처리기에게 다른 파일의 내용을 포함시키라고 알려줍니다. 프로그램의 소스 코드에 #include 와 같은 줄을 포함하면, 전처리기는 새로운 파일을 생성하는데 이 파일은 여전히 C 소스 코드 형태이며 stdio.h 파일의 내용이 #include 부분에 포함됩니다.

 

컴파일(Compile)

전처리기가 전처리한 소스 코드를 생성하고 나면 그 다음 단계는 컴파일입니다. 컴파일러라고 불리는 프로그램은 C 코드를 어셈블리어라는 저수준 프로그래밍 언어로 컴파일합니다.

어셈블리는 C보다 연산의 종류가 훨씬 적지만, 여러 연산들이 함께 사용되면 C에서 할 수 있는 모든 것들을 수행할 수 있습니다. C 코드를 어셈블리 코드로 변환시켜줌으로써 컴파일러는 컴퓨터가 이해할 수 있는 언어와 최대한 가까운 프로그램으로 만들어 줍니다. 컴파일이라는 용어는 소스 코드에서 오브젝트 코드로 변환하는 전체 과정을 통틀어 일컫기도 하지만, 구체적으로 전처리한 소스 코드를 어셈블리 코드로 변환시키는 단계를 말하기도 합니다.

 

어셈블(Assemble)

소스 코드가 어셈블리 코드로 변환되면, 다음 단계인 어셈블 단계로 어셈블리 코드를 오브젝트 코드로 변환시키는 것입니다. 컴퓨터의 중앙처리장치가 프로그램을 어떻게 수행해야 하는지 알 수 있는 명령어 형태인 연속된 0과 1들로 바꿔주는 작업이죠. 이 변환작업은 어셈블러라는 프로그램이 수행합니다. 소스 코드에서 오브젝트 코드로 컴파일 되어야 할 파일이 딱 한 개라면, 컴파일 작업은 여기서 끝이 납니다. 그러나 그렇지 않은 경우에는 링크라 불리는 단계가 추가됩니다.

 

링크(Link)

만약 프로그램이 (math.h나 cs50.h와 같은 라이브러리를 포함해) 여러 개의 파일로 이루어져 있어 하나의 오브젝트 파일로 합쳐져야 한다면 링크라는 컴파일의 마지막 단계가 필요합니다. 링커는 여러 개의 다른 오브젝트 코드 파일을 실행 가능한 하나의 오브젝트 코드 파일로 합쳐줍니다. 예를 들어, 컴파일을 하는 동안에 CS50 라이브러리를 링크하면 오브젝트 코드는 GetInt()나 GetString() 같은 함수를 어떻게 실행할 지 알 수 있게 됩니다.

이 네 단계를 거치면 최종적으로 실행 가능한 파일이 완성됩니다.

 

2) 디버깅

 

버그와 디버깅

버그(bug)는 코드에 들어있는 오류입니다. 버그로 인해 프로그램의 실행에 실패하거나 프로그래머가 원하는 대로 동작하지 않게 됩니다. 버그를 만들고 싶지 않겠지만 모든 프로그래머들은 버그와 마주하게 되어있습니다. 디버깅(debugging)은 코드에 있는 버그를 식별하고 고치는 과정입니다. 프로그래머는 디버거라고 불리는 프로그램을 사용하여 디버깅을 하게 됩니다.

 

디버깅의 기본

디버거는 프로그램을 특정 행에서 멈출 수 있게 해주기 때문에 버그를 찾는데 도움이 됩니다. 프로그래머는 멈춰진 그 지점에서 무슨 일이 일어나는지 볼 수 있습니다. 프로그램이 멈추는 특정 지점을 중지점이라고 합니다. 또한 프로그래머가 프로그램을 한번에 한 행씩 실행할 수 있게 해줍니다. 이로써 프로그래머는 프로그램이 내리는 모든 결정들을 단계별로 따라갈 수 있게 됩니다.

 

help50

아래와 같이 make 앞에 help50 을 붙여서 실행하면 다시 컴파일시 생기는 오류를 해석해줍니다.

help50 make 파일이름

debug50

CS50 IDE를 사용하면 debug50이라는 프로그램도 사용할 수 있습니다.

아래와 같이 소스 코드에 직접 브레이크포인트를 지정하고 소스파일을 컴파일한 후에 “debug50 파일명” 으로 실행하면, 오른쪽 패널을 통해 변수의 값을 확인하거나 브레이크포인트부터 한 줄씩 코드를 실행해 볼 수 있습니다.

디버깅 종료를 위해서는 Ctrl + c를 누르면 됩니다.

 

7) 문자열의 활용

strlen은 문자열의 길이를 알려주는 함수로, string.h 라이브러리 안에 포함되어 있습니다.

 

ctype 라이브러리에 toupper() 이라는 함수는 사용자로부터 문자열을 입력받아 대문자로 바꿔주는 함수입니다.

 

문자열 관련된 라이브러리는 string.h고 문자 관련된 라이브러리는 ctype.h이니, 두 라이브러리 내 구현된 함수를 활용하도록 합시다.

 

8) 명령행 인자

make나 clang과 같은 프로그램을 실행할 때 컴파일하고자 하는 코드 외에도 컴파일 후 저장하고자 하는 파일명과 같이 추가적인 정보를 함께 줄 수도 있습니다. 이런 정보들을 명령행 인자 라고 부릅니다.

 

main() 안에 기계적으로 void 라고 입력하는 대신 아래 코드와 같이 argc, argv 를 정의해보겠습니다.

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

int main(int argc, string argv[])
{
    if (argc == 2)
    {
        printf("hello, %s\n", argv[1]);
    }
    else
    {
        printf("hello, world\n");
    }
}

여기서 첫번째 변수 argc는 main 함수가 받게 될 입력의 개수입니다.

그리고 argv[]는 그 입력이 포함되어 있는 배열입니다. 프로그램을 명령행에서 실행하므로, 입력은 문자열로 주어집니다.

따라서 argv[]는 string 배열이 됩니다.

 

argv[0]는 기본적으로 프로그램의 이름으로 저장됩니다.

만약 하나의 입력이 더 주어진다면 argv[1]에 저장될 것입니다.

예를 들어 위 프로그램을 “arg.c”라는 이름으로 저장하고 컴파일 한 후 “./argc”로 실행해보면 “hello, world”라는 값이 출력됩니다.

명령행 인자에 주어진 값이 프로그램 이름 하나밖에 없기 때문입니다.

하지만 “./argc David”로 실행해보면 “hello, David”라는 값이 출력됩니다.

명령행 인자에 David라는 값이 추가로 입력되었고, 따라서 argc 는 2, argv[1] 은 “David”가 되기 때문입니다.

 

4. 알고리즘

알고리즘의 성능, 시간 복잡도를 표현할 때, 최악의 경우(상한)을 나타내는 것 : Big-O 표기법, O()

주로 아래 목록과 같은 Big O 표기가 실행 시간을 나타내기 위해 많이 사용됩니다.

• O(n^2)
• O(n log n)
• O(n) - 선형 검색
• O(log n) - 이진 검색
• O(1)
•  

Big O가 알고리즘 실행 시간의 상한을 나타낸 것이라면, 반대로 Big Ω는 알고리즘 실행 시간의 하한을 나타내는 것입니다.

 

예를 들어 선형 검색에서는 n개의 항목이 있을때 최대 n번의 검색을 해야 하므로 상한이 O(n)이 되지만 운이 좋다면 한 번만에 검색을 끝낼수도 있으므로 하한은 Ω(1)이 됩니다.

역시 아래 목록과 같은 Big Ω 표기가 많이 사용됩니다.

• Ω(n^2)
• Ω(n log n)
• Ω(n) - 배열 안에 존재하는 값의 개수 세기
• Ω(log n)
• Ω(1) - 선형 검색, 이진 검색

 

실행시간의 상한

• O(n^2): 선택 정렬, 버블 정렬
• O(n log n) : 병합 정렬
• O(n): 선형 검색
• O(log n): 이진 검색
• O(1)

 

실행시간의 하한

• Ω(n^2): 선택 정렬, 버블 정렬(n-1번 반복할 경우)
• Ω(n log n) : 병합 정렬
• Ω(n) : 버블 정렬(교환이 일어나지 않을 때까지 반복할 경우)
• Ω(log n)
• Ω(1): 선형 검색, 이진 검색

* 병합 정렬 추가 설명

병합 정렬 실행 시간의 상한은 O(n log n) 입니다.

숫자들을 반으로 나누는 데는 O(log n)의 시간이 들고, 각 반으로 나눈 부분들을 다시 정렬해서 병합하는 데 각각 O(n)의 시간이 걸리기 때문입니다.

실행 시간의 하한도 역시 Ω(n log n) 입니다. 숫자들이 이미 정렬되었는지 여부에 관계 없이 나누고 병합하는 과정이 필요하기 때문입니다.

 

선택 정렬, 버블 정렬, 선형 검색, 이진 검색 4가지 알고리즘이 최선인 경우일 때의 실행시간이(하한) 빠른 순서대로 나열한 것은 무엇인가요? 

: 이진 검색 - 선형 검색 - 버블 정렬 - 선택 정렬

 

병합 정렬, 선택 정렬, 버블 정렬의 실행시간의 하한을 빠른 순서대로 정렬한 것은 무엇인가요?

: 버블 정렬 - 병합 정렬 - 선택 정렬

 

알고리즘의 실행 시간의 상한을 비교하기 위해 Big-O 표기법을 사용합니다. 다음 Big-O 표기법 중 빠른 순서대로 올바르게 정렬한 것은 무엇인가요?

: O(1) – O(log n) – O(n) – O(n^2)