In this post, 02 System Programming lecture is introuduced.

Writing Good Code

EX1 Alphabet, Number Counter

사용자의 표준 입력으로부터 # of Alphabet, # of number, # of other characters 를 구해 출력하는 C 프로그램을 생각해보자.

#include <stdio.h>
int main(void){
  // EOF == (int) -1 == 0xFFFFFFFF
  int c;
  int alphaCount = 0;
  int digitCount = 0;
  int othersCount = 0;
  
  while ((c = getchar()) != EOF){
    if ((c >= 97 && c <= 122) || (c >=65 && c<=90))
      alphaCount++;
    else if (c >= 48 && c <= 57)
      digitCount++;
    else
      othersCount++
  }
  printf("# of alphabets: %d\n", alphaCount);
  printf("# of digits: %d\n", digitCount);
  printf("# of other characters: %d\n", othersCount);
  
  return 0;
}

EOF는 C 언어에서 입력 함수(getchar, scanf, fgetc …)가 더 이상 읽을 데이터가 없을 때 반환하는 특수한 신호 값이다. C 표준에서 EOF는 보통 -1 로 정의되어 있다. 리눅스 키보드 입력에서는 Ctrl+D 로 EOF를 발생시킬 수 있다.

• getchar 의 return 값은 1 byte인데 왜, 변수 c 의 type을 char가 아닌 int 로 해야만 할까?
  • ASCII 코드에는 0~255 번에 해당하는 character 가 정의되어 있다. 따라서, char 변수를 사용하게 되면 char 이 저장하는 8 비트의 값은 항상 어떤 character를 나타내게 될 뿐, -1 을 표현할 수 없게 된다.

위 코드의 조건문에서 우리는 ASCII 코드를 일일이 확인해야 하는 번거로움이 있다. 대신, 다음과 같이 나타낼 수 있다.

if ((c >= 'a' && c <= 'z') || (c >='A' && c<='Z'))

하지만 여전히, ASCII 코드에 종속적이라는 문제가 있다. 만약 유니코드를 사용한다면?

이러한 문제를 해결하기 위해서 함수를 사용할 수 있다.

#include <stdio.h>
#include <ctype.h>

if (isalpha(c))
else if (isdigit(c))

Word Counter

이번엔 단어의 개수를 세는 코드를 구현하자. 이를 위해, state tracking approach 를 한다.

state1 : inside-a word, state : 2 outside-a-word 로 정의하면 # of words = # of times when program switches from state2 to state1 이 된다.

#include <stdio.h>
#include <ctype.h>

int main(void){
  int c, nWords = 0, state = 1;
  
  while ((c = getchar()) != EOF){
    switch(state){
      case 0:
        if (isspace(c)) state = 1;
        	break;
       case 1:
        if (!isspace(c)) {state = 0; nWords++;}
        	break;
    }
  }
}

하지만 여기서 0, 1과 같은 개발자만 알고 있는 magic number는 피하는 것이 좋다.

enum DFAState {IN, OUT};

int main(void){
  enum DFAState state = OUT;
}

모든 switch-case 에는 default case를 넣는 Defensive programming 을 할 필요가 있다.

default:
	assert(0);
	break;

Pointer

No restrictions on referenced types.

struct student *p; // points to a structure type
int **p; // points to pointers to integer
int (*p)[10]; // points to integer array of size 10
int *p[10]; // array of 10 integer pointers

* 는 [] 보다 낮은 우선순위를 가지므로 위와 같이 나타난다.

int *p;
*p = 10; // crash
printf("%d", *p); // crash
printf("%p", p); // no crash

다음과 같이 포인터 변수를 선언만 한다면 Garbage 값이 들어가게 되고 OS에서 할당하지 않은 주소를 참조하게 되어 Segmantation Fault가 난다.

세그멘테이션 폴트(segfault)는 CPU 하드웨어가 트리거하는 예외이다.

• CPU가 특정 가상 주소를 읽거나 쓸 때,
• 그 주소가 페이지 테이블에 매핑되어 있지 않거나
• 매핑돼 있어도 접근 권한(읽기/쓰기/실행) 이 없을 때

→ 하드웨어가 page fault 예외를 내고, OS가 이를 처리하다가 “이건 프로그램 잘못”이라 판단하면 SIGSEGV(세그폴트)를 보낸다.

int i;
scanf("%d", &i)l

scanf 는 표준 입력을 받아, ASCII String을 %d 이면 정수로 변환한다. 예를들어, 123을 입력하면 세 개의 ASCII 코드로부터 정수 123을 변환하여 변수에 저장한다. scanf 의 argument 로는 주소값이 들어가야 한다.

int i, *p;
p = &i;
scanf("%d", p); // OK
scanf("%d", &p); // no crash, but not ok

마지막 줄을 보면, p 의 메모리 주소도 OS에서 할당된 영역이기 때문에 crash가 나지는 않지만 논리적으로 우리가 하려는 일과 맞지 않다.

Array and Pointer Relationship

이에 관한 내용은 여기 참고 바람.

추가적으로, array 변수의 경우 함수 인자로 전달될 때, (마치 포인터처럼) 그 주소 값이 전달되는 반면, Structure 의 경우는 다르다. Structure 를 저장하는 변수는 (Java 에서의 객체와 달리) 그 주소값을 저장하고 있는 것이 아니라 Structure 필드의 값들을 바로 저장하고 있다.(물론 array도 이 지점은 마찬가지이다.) 따라서, 함수 파라미터로 Structure 를 저장하는 변수를 넘기면, Structure 의 값이 전부 복사되어 전달된다.

Pointer Arithmetic

If p points to a[i], then, p+j points to a[i+j].

More on next lecture.

Q&A

Below is question I had during the lecture and professor’s answer.

int *max(int a, int b){
  return (a > b) ? &a : &b;
}

int *p, i, j;
...
p = max(i, j);

02.Pointers slide 17pg 에서, p = max(i, j); 는 메모리 영역에 read/write access 하는 것이 아니므로 crash 가 나지 않지만, *p = 3 이라고 하면 crash가 난다고 하셨던 것 같습니다. 저는 crash 를 CPU가 특정 가상 주소를 읽거나 쓸 때 하드웨어가 page fault 예외를 내는 것으로 이해했는데, 그렇다면 *p = 3의 경우에도 max 함수의 스택은 사라졌지만 process 전체의 스택 영역 아니므로 crash가 안나지 않나요?

In slide 17 of 02.Pointers, it was mentioned that p = max(i, j); does not cause a crash since it does not perform read/write access to memory, but *p = 3; would cause a crash. I understood a crash as the hardware raising a page fault exception when CPU tries to read or write a certain virtual address. If that is the case, then in the situation of *p = 3, even though the stack frame of the max function has disappeared, it is still within the process’s overall stack region, so wouldn’t that mean it should not crash?

• *p = 3; won’t crash at the time of executing this statement. But the program could eventually crash if p happens to have the address of a pointer that is dereferenced later in another function call. You can think of other such cases as well. Sorry for the confusion.
• The default stack size of a Linux process is 8MB, so you use all the memory (by recurve calls, etc.), your process ends up accessing a memory area that’s not allocated and it would crash.