PL. Chapter 01. 서론

1. 프로그래밍 언어론 원리와 실제

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1.1. 프로그래밍 언어란?

 

1) 프로그래밍 언어란 무엇인가?

• 프로그래밍 언어: 계산 과정을 기계가 읽을 수 있고 사람이 읽을 수 있도록 기술하기 위한 일종의 표기법
  • 계산 (Computation) : 데이터 조작, 텍스트 처리, 알고리즘
  • 기계 읽기 (Machine readability) : 효율적인 번역 혹은 실행
  • 사람 읽기 (Human readability) : 프로그래밍 편의성, 컴퓨터 연산들의 이해하기 쉬운 추상화

2) 프로그래밍 언어의 중요성

• 소프트웨어의 발전은 프로그래밍 언어를 매개로 하여 발전
• 언어에 따라 사고방식이 달라진다.
  • 절차형(명령형) 언어 (procedural language) 
  • 함수형 언어 (functional language)
  • 논리 언어 (logic langauge)
  • 객체 지향 언어 (object-oriented language)

3) 주요 주제

• 주요 언어 이론
  • 구문법 (syntax) : 문장을 구성하는 방법
  • 의미론 (semantics) : 작성된 문장의 의미를 결정
  • 타입 시스템 (type system) : 타입의 올바른 사용법
• 프로그래밍 언어의 설계
  • 동기, 원리
  • 샘플 언어 설계
• 프로그래밍 언어의 구현 기술
  • 주요 구현 기술
  • 샘플 언어의 인터프리터
• 주요 프로그래밍 패러다임
  • 명령형 프로그래밍
  • 함수형 프로그래밍
  • 논리형 프로그래밍
  • 객체지향 프로그래밍
• 프로그래밍 언어의 역사
  • 고급 프로그래밍 언어 개발 역사

1.2. 프로그래밍 언어의 종류

 

1) 프로그래밍 패러다임

명령형 프로그래밍	문제를 해결하는 절차(명령)를 기술하는 방식의 프로그래밍 C, Pascal, Ada, Python
함수형 프로그래밍	프로그램의 계산 과정을 수학 함수 형태로 프로그래밍 프로그램은 함수 정의들로 구성됨 Lisp, Scheme, ML, Haskell
논리 프로그래밍	정형 논리를 기반으로 한 프로그래밍 프로그램은 문제에 대한 사실/규칙을 표현하는 논리 문장 Prolog
객체지향 프로그래밍	객체 개념을 기반으로 하는 프로그래밍 프로그램 실행은 객체 사이의 상호작용에 의해 이루어진다. C++, Java, C#, Objective-C, Swift, Python, Visual Basic

2) PL 발전 과정

 

 

3) 함수형 언어 (Functional language)

• 기본 모델
  • 수학 함수를 기반으로 하는 언어
  • 프로그램: 매개변수로 입력을 받아 처리한 후에 반환값을 출력하는 함수
• 함수
  • 함수 정의
  • 함수 호출
  • 매개변수
  • 반환값
• 특징
  • 변수 및 대입문이 없음
  • 자기호출 (recursion)에 의한 반복
  • 루프 같은 반복문 없음
• 예제

      

      

      

    
    

      <java />
    
fun fact(n : int) : int =
	if n <=1 then 1
    else n * fact(n-1);

• 장점
  • 기계 모델과 무관
  • 수학을 기반으로 프로그램의 의미를 명확하게 정의
• 예
  • Lisp, ML, Scheme, Haskell

4) 논리 언어 (Logic language)

• 기본 모델
  • p ->q 형태의 술어 논리(predicatelogic)를 기반
  • 선언적으로 프로그래밍하는 언어
  • 프로그램: 문제를 해결하는 방법보다 문제가 무엇인지를 논리 문장들로 표현
• 예제
  • 증명하는 것을 계산하는 것으로 간주함

      

      

      

    
    

      <java />
    
fact(0,1).
fact(N, V) :-N > 0, fact(N-1, V1), V is N * V1.
?-fact(3, X)

• 특징
  • 루프나 선택문 등의 제어 추상화가 없음
  • 제어는 하부 시스템(해석기)에 의해 제공
  • 변수는 메모리 위치가 아니라 부분 결과 값에 대한 이름
• 장점
  • 기계-독립적이고 정확한 의미구조를 가지고 있음
  • 선언적 프로그래밍이 가능
• Prolog
  • 대표적인 논리 언어
  • 인공지능, 자연어 처리 등의 분야에서 많이 사용

4) 객체지향 언어 (Object-oriented language)

• 객체지향 언어의 시작
  • 실세계를 모의실험 하기 위한 언어로 고안
  • 객체 개념을 기반으로 하는 프로그래밍 스타일
• 객체(object)
  • 속성과 관련 행동(함수,메소드)들의 모음으로 표현
• 계산과정
  • 객체들 사이의 상호작용 (메소드 호출)
• 클래스
  • 클래스는 객체에 대한 타입 정의
  • 객체는 클래스의 한 실체(instance)이다.

1.3. 프로그래밍 언어의 역사

1) 1950년대: 고급 프로그래밍 언어의 시작

• FORTRAN : 과학응용 분야를 위한 효율성을 강조한 최초의 고급언어
• COBOL : 사무용으로 설계된, 영어와 비슷한 구문을 갖는 명령형 언어
• LISP : 리스트 자료구조와 함수 적용을 기반, 재귀 호출이 매우 일반적. 인공지능 분야에서 많이 사용

2) 1960년대: 프로그래밍 언어의 다양성

• Algol60/68 
  • 알고리즘을 기술하기 위한 강력한 범용 언어
  • Pascal, C, Modula-2, Ada 같은 현대의 명령형 언어에 영향을 줌
    
    • 주요 특징
    • 구조적 문장, begin-end 블록
    • 자유 양식 , 변수의 타입 선언
    • 재귀 호출, 값 전달 매개변수
• Algol68 : Algol60을 향상하여 더 표현력 있고 이론적으로 완전히 일관성 있는 구조를 생성하려고 함

3) 1960년대: 프로그래밍 언어의 다양성

• PL/I 
  • 일반적이고 보편적인 언어, 즉 모든 언어를 통합하는 언어
    • 배우기도 어렵고 사용하는데 오류가 발생
• Simula-67
  • 최초의 객체지향 언어로 모의실험을 위해 설계
  • 객체와 클래스 개념을 소개함으로써 공헌함
• BASIC
  • 단순한 언어로 PC로 이전되어 교육용 언어로 많이 사용
  • 이후 마이크로소프트사에 의해 Visual Baisc 형태로 발전

4) 1970년대: 단순성 및 새로운 언어의 추구

• PASCAL
  • 교육용 언어로 Algol의 아이디어를 작고, 단순하고, 효율적이고, 구조화된 언어로 세련되게 만듦
  • 대표적인 블록 구조 언어
• C 언어
  • 유닉스 운영체제 개발을 위해 개발된 시스템 프로그래밍 언어
    
  • 기계에 대해 많은 접근을 제공하는 중급 언어 (middle-level)
  • 모든 컴퓨터 시스템에서 사용할 수 있도록 설계된 언어

4) 1970 년대: 단순성 및 새로운 언어의 추구

• Prolog 
  • 술어 논리를 사용하는 대표적인 논리 프로그래밍 언어
  • 증명하는 것을 계산하는 것으로 간주
  • 인공지능, 자연어 처리 등의 분야에서 많이 사용
• Scheme
  • 더 형식적이고 람다 계산에 더 가깝게 설계된 향상된 LISP 버전
• ML 
  • Pascal과 가까운 구문을 가지고 다형 타입 검사 메커니즘을 제공하는 함수형 언어

5) 1980년대: 추상 자료형과 객체지향

• Ada
  • 미 국방성(DoD)의 후원으로 개발된 영향력 있고 포괄적인 언어
    • 주요 기능 
      • 패키지 (추상 자료형), 태스크 (병행 프로그래밍 기능)
      • 예외처리 등과 같은 새로운 기능을 포함 
• Modula-2
  • 범용 절차형 언어이면서 시스템 프로그래밍 언어로 개발
  • Pascal 처럼 가능한 한 작고 단순한 언어로 설계
  • 주요 기능
    • 모듈(추상 자료형), 코루틴(부분적인 병행성)
• Smaltalk
  • 순수한 객체지향 언어
  • Ruby, Objectiv-C, Java, Python, Scala 등의 언어에 영향을 줌
  • 최초로 GUI를 제공하는 언어
• C++
  • C 언어를 확장함 특히 C언어의 구조체를 클래스 형태로 저장
  • C 언어의 효율성을 유지하면서 객체지향 프로그래밍 가능
  • 포인터와 같은 C 언어의 중요한 특징을 그대로 포함 

6) 1990년대: 인터넷 언어와 새로운 시도

• Python
  • 대화형 인터프리터 방식의 프로그래밍 언어
  • 플랫폼 독립성, 객체지향, 동적 타입 (dynamic type)
  • 교육용 및 빅데이터를 비롯한 다양한 분야에서 응용
• Java 
  • 인터넷 환경을 위한 객체지향 언어
  • 웹 애플리케이션, 모바일 앱 개발 등에 가장 많이 사용하는 언어 
  • 플랫폼 독립성
    • 컴파일된 바이트 코드가 JVM이 설치된 어느 플랫폼에서도 실행 가능 
• JavaScript
  • 웹 브라우저 내에서 실행되는 클라이언트 프로그램에 주로 사용
  • Node.js와 같은 런타임 환경과 같이 서버 프로그래밍에도 사용

7) 2000년대: 새로운 미래를 향하여

• C# 
  • Java를 모방한 마이크로소프트 버전
  • 닷넷 프레임워크을 기반으로 함.
• Scala
  • 객체지향과 함수형 언어의 요소가 결합된 다중패러다임 언어
  • 자바 바이트코드를 사용하기 때문에 JVM에서 실행 가능
  • Java 언어와 호환: 대부분의 자바 API를 그대로 사용 가능
• Objective-C와 Switf
  • Switf는 기존 Mac용 언어인 Objective-C와 함께 공존
  • Objective-C처럼 LLVM으로 빌드되고 같은 런타임 시스템을 공유
  • 특징: 클로저, 다중 리턴 타입, 네임스페이스, 제네릭, 타입 유추

 

1.4. 추상화와 명령형 언어의 발전

1) 프로그래밍 언어 발전 과정

• 역사적 발전 과정
  • 최초의 컴퓨터 (ENIAC)가 만들어진면서
  • 프로그래밍 언어가 개발되기 시작했을 것이다.
• 두 가지 질문?
  
  • 그때 컴퓨터는 어떤 컴퓨터였을까요?
  • 어떤 프로그래밍 언어가 개발되었을까요?
• 컴퓨터
  • Von Neuman model computer
  • 폰 노이만 모델 컴퓨터
• 초창기 프로그램
  • 컴퓨터에 명령하는 기계어 명령어들로 작서 

2) Von Neuman 모델 컴퓨터

• 프로그램 내장 방식 컴퓨터
  • sotred-program compute
  • 메모리에 프로그램(명령어와 데이터) 저장
• 메모리에 저장된 명령어 순차 실행
  • CPU: 순차적으로 메모리에 저장된 명령어를 실행
  • PC: 다음 실행할 명령어를 가리키는 레지스터
• 명령어
  • 메모리에 저장된 값을 조작 혹은 연산

3) Von Neuman 컴퓨터 프로그램 실행

• CPU의 인출-해석-실행(fetch-decode-execute) 주기 반복
  • CPU는 메모리 내에 저장되어 있는 프로그램의 명령어를
  • 한번에 하나씩 가져와서 해석하고 실행

4) 명령형 언어 (Imperative language)

• 명령형 프로그래밍 언어는 폰 노이만 모델 컴퓨터의 연산을 흉내 내거나 추상화하는 것으로 시작
• 예 : Fortran, C, Basic
• 폰 노이만 모델 컴퓨터의 특징:
  • 순차적 명령어 실행
  • 메모리 위치를 나타내는 변수 사용
  • 대입문을 사용한 변수 값 변경
  • 사람의 필요보다는 컴퓨터 모델을 기반으로 한 언어

5) 추상화 (Abstraction)

• 추상화란?
  • 추상화는 실제적이고 구체적인 개념들을 요약하여 보다 높은 수준의 개념을 유도하는 과정
• 명령형 언어는 컴퓨터의 무엇을 추상화 했을까?
  • 컴퓨터의 데이터, 연산, 명령어 등을 추상화
  • 데이터 추상화
  • 제어 추상화

6) 데이터 추상화 (Data Abstraction)

 

• 기본 추상화
  • 기본 데이터 관련한 요약
  • 예: 변수, 자료형
• 변수
  • 데이터 값을 저장하는 메모리 위치
  • 메모리 120 번지 => 변수 X
• 자료형
  • 값들의 종류에 대한 이름 
  • 예: int, float, double
• 구조적 추상화
  • 관련된 여러 값/ 변수들의 모음을 요약
• 배열 
  • 같은 타입의 연관된 변수들의 모음
• 프로그래밍 언어와 추상화
  • 프로그래밍 언어는 이러한 추상화된 개념을 제공
  • 프로그래머는 이러한 개념을 기반으로 프로그래밍 한다.

7) 제어 추상화 (Control Abstraction)

• 기본 추상화
  • 몇 개의 기계어 명령어들을 하나의 문장으로 요약

 

• 구조적 제어 추상화
  • 테스트 내의 중첩된 기계어 명령어들을 하나의 문장으로 요약 
  • 예: if-문, switch-문, for-문, while-문 등
  • 장점
    • 기계에 대한 추상화 (요약된) 관점
    • 다른 제어 문장들과 중첩되어 사용될 수 있다.

• 프로시저 (함수, 메소드)
  • 선언: 일련의 계산과정 하나의 이름으로 요약해서 정의
  • 호출: 이름과 실 매개변수를 이요하여 호출

 

• 추상 자료형
  • 데이터와 관련된 연산들을 캡슐화하여 정의한 자료형
  • 예: Modula-2의 모듈, Ada의 패키지, C++, Java 등의 클래스

 

1.5. 프로그래밍 언어의 정의 및 구현

1) 프로그래밍 언어 정의

- 어휘 구조: 언어에서 사용하는 단어의 구조, 철자법 등을 의미

- 구문법: 구성요소를 이용하여 문장/프로그램을 구성하는 방법

- 의미론: 문장/프로그램의 의미를 정하는 것 (자연어 혹은 수학적으로 기술)

 

2) 프로그래밍 언어 구현

• 프로그래밍 언어 구현은 무얼 해야 하는가?
  • 입력 프로그램 -> Syntax -> Semantics -> Interpret/Compile
• 프로그래밍 언어 구현은 어떻게 해야 하는가?
  • 입력 받은 소스 프로그램을 구문법에 맞는지 검사하고
  • 그 의미에 맞게 동작하도록 해석하거나 
  • 기계어 명령어들로 번역해야 한다.

3) 컴파일러와 인터프리터의 내부 구조