[42Seoul] Libft

0. 과제 설명

libc에 있는 함수 및 앞으로의 문제를 푸는 데 유용한 함수들을 구현하고 library로 만든다.

1. Library

1-1. Library란?

라이브러리는 주로 소프트웨어를 개발할 때 컴퓨터 프로그램이 사용하는 비휘발성 자원의 모임이다. 비휘발성 자원의 예로는 미리 작성된 코드, 함수, 클래스, 자료형 등이 있다.
라이브러리는 재사용이 필요한 기능의 반복적인 코드 작성을 피하고, 언제든지 필요한 곳에서 호출하여 사용하기 위한 목적을 가지고 만들어진다.
새로운 소스 파일들과 빠르게 링크될 수 있도록 보통 컴파일된 형태인 object file로 존재하며 미리 컴파일 되어 있기 때문에 컴파일 시간도 단축된다.

1-2. Library의 종류

라이브러리는 크게 정적 라이브러리와 동적 라이브러리 두 종류로 사용된다.
두 라이브러리의 가장 큰 차이점은 실행파일에 링킹되는 시점이다.

• 정적 라이브러리(Static Library) (.a / .lib)

  정적으로 만들어진 라이브러리는 링크 단계에서 실행 파일에 포함된다. 즉, 라이브러리의 동작 코드가 실행 파일에 들어있기 때문에 별도의 추가 작업 없이 실행 파일에서 바로 라이브러리의 함수들을 사용할 수 있다. 하지만 실행 파일에서 사용하지 않는 코드가 라이브러리에 많이 담겨 있을수록, 실행 파일의 불필요한 볼륨이 커지기 때문에 메모리의 공간 활용 효율이 떨어지는 등의 문제가 생긴다.
  

• 동적 라이브러리(Dynamic Library) (.so / .dll)

  컴파일 타임에 링킹되는 정적 라이브러리와 다르게 동적 라이브러리는 런타임에 연결된다. 정적 라이브러리와의 가장 큰 차이점은, 라이브러리를 사용할 때 각각의 프로세스마다 메모리에 라이브러리 전체 내용을 할당하는 것이 아닌, 필요한 내용만 할당하여 사용할 수 있다는 점이다. 이러한 특징이 생기는 이유는 obj 파일을 만들 때 프로그램에서 사용하는 모든 라이브러리 모듈을 복사하지 않고, 해당 모듈의 주소만을 가지고 있다가 런타임에 실행 파일과 라이브러리가 메모리에 위치될 때 해당 모듈의 주소로 가서 필요한 것만 들고 오는 방식이기 때문이다. 런타임에 운영체제에 의하여 이러한 작업이 수행된다.
  

• 정적 라이브러리와 동적 라이브러리의 차이점

  정적 라이브러리는 실행할 때 라이브러리의 내용을 모두 메모리에 로드하는 반면, 동적 라이브러리는 메모리에 이미 존재하는 경우 로드되는 시간과 공간을 아낄 수 있다. 하지만 매번 라이브러리의 주소에 접근해야 하기 때문에 오버헤드가 존재해 수행 시간은 정적 라이브러리보다 느리다.

1-3. 라이브러리 만들기

명령어 ar을 사용한다.
컴파일된 .o 파일들을 묶어서 library (.a)로 만든다.

option	meaning
-r	지정한 파일을 archive 파일에 추가, 만약 기존 파일이면 치환한다.
-c	archive가 생성 되어질 때 기본적으로 표준 에러로 기록되어지는 진단 메세지의 출력을 제한한다.
-u	오브젝트 파일의 타임스탬프를 비교해 새로운 파일일 경우에만 치환한다.
-v	자세한 내용을 보여주는 verbose 모드로, 파일 크기나 갱신 시각 등의 상세 정보를 출력한다.

2. 필요 개념

• void pointer로 입력받은 인자를 unsigned char 포인터로 캐스팅해서 접근하는 이유

  void pointer에 어떤 포인터가 들어올지 모르기 때문에 1바이트씩 접근해야 안전하다. 포인터는 주소값이기 때문에 부호를 쓰지 않는다. 따라서 char가 아닌 unsigned char를 쓰는 것이 관례이다.
  

• const int*와 int* const의 차이

  const int( = int const *)는 const int형을 가리키는 포인터로, 포인터 값은 변경 가능하지만 내부의 int값은 const로 선언되어 변경이 불가능하다. 반면 int const는 const 포인터가 int형을 가리키고 있으므로 포인터의 값은 변경 불가능하지만 내부의 int값은 변경이 가능하다.
  

• mem vs str functions

  str함수는 “문자열을 검사하기 위한” 함수. 즉, ‘\0’ 또는 size를 통해서 종료 시점을 결정한다.
  반면 mem 함수는 모든 배열에 대해 사용할 수 있어야 하기 때문에 size만을 통해서 종료 시점을 결정한다.

  함수 내부에서 unsigned char로 캐스팅 해주는 이유 : unsigned char는 변수 안의 모든 값이 부호비트나 패딩비트같이 어떠한 용도로 사용되는 값이 없고, 우리가 전달하고자 하는 값으로 모두 차있기 때문에 비트 해석이 왜곡될 걱정이 없다.

  *패딩비트 : 가장 큰 자료형의 크기를 따르기 때문에 생기는 사용하지 않는 비트
  

• size_t

  size_t는 typedef를 이용하여 정의한 하나의 별칭(alias)으로 ‘이론상 가장 큰 사이즈를 담을 수 있는 unsigned 데이터 타입’으로 정의된다.
  즉, 32bit에서는 unsigned int, 64bit에서는 unsigned long long이 된다.
  

• 함수 포인터

  포인터는 다른 변수의 주소를 저장하는 변수다. 이와 유사하게 함수 포인터는 함수의 주소를 저장하는 변수다.

int foo()
{
	return 5;
}

식별자 foo는 함수의 이름이다. 변수와 마찬가지로 함수는 메모리의 할당된 주소에 있다.

() 연산자를 통해 함수를 호출하면, 호출되는 함수의 주소로 점프하여 실행한다.

int main()
{
	foo(); //foo 함수의 주소(ex.0x002717f0)로 점프한다.
	return 0;
}

함수 foo를 printf로 출력하면 0x002717f0가 출력된다.
함수 포인터는 함수의 주소를 저장했다가, 해당 주소의 함수를 호출하는 데 사용하는 포인터를 말한다.

반환형식 (* 식별자) (파라미터형 목록)

위와 같은 형식으로 사용한다.

• 함수 포인터 사용법

반환값과 매개변수가 없는 경우

#include <stdio.h>

void print_hello()
{
	printf("Hello, world!\\n")
}

int main()
{
	void (*fp)();

	fp = print_hello;
	fp()

	return 0;
}

-> 실행결과 : Hello, world!

반환값과 매개변수가 있는 경우

#include <stdio.h>

int add(int a, int b)
{
	return a + b;
}

int sub(int a, int b)
{
	return a - b;
}

int main()
{
	int (*fp)(int, int);
	fp = add;
	printf("%d\\n", fp(3, 5));

	fp = sub;
	printf("%d\\n", fp(5, 3));

	return 0;
}

	-> 실행결과 :8
			   2

• 함수 포인터 배열 사용하기

#include <stdio.h>

int add(int a, int b){return a + b;}
int sub(int a, int b){return a - b;}
int mul(int a, int b){return a * b;}
int div(int a, int b){return a / b;}

int main()
{
	int (*fp[4])(int, int); //함수 포인터 배열 선언
	
	fp[0] = add;
	fp[1] = sub;
	fp[2] = mul;
	fp[3] = div;

	for (int i = 0; i < 4; i++)
	{
		printf("%d\\n", fp[i](20, 10));
	}

	return 0;
}

-> 실행결과 : 30
			10
			200
			2

• typedef로 함수 포인터 간소화 하기

typedef int (*PtrFunc)(int, int)

PtrFunc = add;

• 메모리 해제(free)

  동적 메모리를 할당하면 힙(heap) 메모리의 공간을 할당받는다. 이 공간은 프로그램이 종료될 때까지 보존된다. 따라서 메모리를 할당만 하고 해제를 해주지 않으면 메모리 사용량만 계속 증가하게 된다. 즉 프로그램이 필요하지 않은 메모리를 계속 점유하고 있는 현상을 “메모리 누수(memory leak)”라고 한다. 즉 동적 할당으로 힙 메모리에 공간을 생성해놓은 뒤 회수하지 않으면 프로그램이 실행되는 동안은 그 공간은 계속해서 살아있게 되고 이는 메모리의 낭비를 초래하여 성능 부하를 이르킬 수 있다. 고로 사용하지 않는 메모리는 free함수를 사용하여 꼭 회수해줘야 한다.

• 2의 보수법

  C언어는 2진 보수 방식을 사용한다.
  첫번째 비트가 0일 때는 양수라는 의미로 2진수를 읽듯이 읽으면 된다. 첫번째 비트가 1일 때는 음수라는 의미로 2진 보수를 역(1을 빼고 1진 보수법 적용)으로 취한 값이 절댓값이 된다.
  예를 들어 8비트의 메모리에 10010001 값이 들어 있다면 첫번째 비트가 1이므로 음수를 의미한다. 절댓값을 계산해보면 10010001 → 10010000 → 01101111로 1 + 2 + 4 + 8 + 32 + 64 = 111이다. 즉 10010001은 -111이다.
  2진 보수 방식에서 8비트(1바이트)로 표현할 때 01111111이 가장 큰 정수이고, 10000000이 가장 작은 정수이다.
  

• 큰 자료형 → 작은 자료형 형 변환시 뒤쪽(오른쪽) 비트부터 자른다.