[프로그래밍언어론📐] 1장 서론

출처 : 프로그래밍 언어론 : 원리와 실제 (창병모, 인피니티북스, 2021)

1.1 프로그래밍 언어란?

1)  프로그래밍언어

- 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 또는 실행
- 사람 읽기 (human readability) : 프로그래밍 편의성, 컴퓨터 연산들의 이해하기 쉬운 추상화
 

2) 프로그래밍 언어의 중요성

- 언어에 따라 상이한 프로그래밍 방식

• 절차형(명령헝) 언어 (procedural langauge)
• 함수형 언어 (functional langauge)
• 논리 언어 (logic language)
• 객체지향 언어 (object-oriented language)

 

1.2 프로그래밍언어의 종류

1) 프로그래밍 패러다임

- 명령형 프로그래밍 (imperative programming)

• 문제를 해결하는 절차(명령)를 기술하는 방식의 프로그래밍
• 언어 : C, pascal, Ada, Python

- 함수형 프로그래밍 (functional programming)

• 프로그래밍의 계산 과정을 수학 함수 형태로 프로그래밍
• 프로그램은 함수 정의들로 구성
• 언어 : Lisp, Scheme, ML, Haskell

- 논리 프로그래밍 (logic programming)

• 정형 논리 (formal logic)를 기반으로 한 프로그래밍
• 프로그램은 문제에 대한 사실/규칙을 표현하는 논리 문장
• 언어 : Prolog

- 객체지향 프로그래밍 (object-oriented programming)

• 객체 개념을 기반으로 하는 프로그래밍
• 프로그램 실행은 객체 사이의 상호작용에 의해 이루어짐
• 언어 : C++, Java, C#, Objective-C, Swift, Python, Visual Basic

2) 함수형 언어 (Functional language)

- 기본 모델 : 수학 함수를 기반으로 하는 언어
- 프로그램 : 매개변수로 입력을 받아 처리한 후에 반환값을 출력하는 함수
- 함수

• 함수 정의 (definition)
• 함수 호출 (application)
• 매개변수 (parameter)
• 반환값 (return value)

- 특징

• 변수 및 대입문이 없음
• 자기호출에 의한 반복
• 루프 같은 반복문이 없음

- 장점

• 기계 모델과 무관
• 수학을 기반으로 프로그램의 언어를 명확하게 정의할 수 있음

- 예시 : Lisp, Scheme, ML, Haskell
 

3) 논리 언어 (Logic language)

- 기본 모델

• p -> q 형태의 술어 논리(predicate logic)를 기반으로 함
• 선언적으로 프로그래밍하는 언어

- 프로그램 : 문제를 해결하는 방법보다 문제가 무엇인지 논리 문장들로 표현
- 증명하는 것을 계산하는 것으로 간주
- 특징

• 루프나 선택문 등의 제어 추상화가 없다
• 제어는 하부 시스템(해석기)에 의해 제공된다.
• 변수는 메모리 위치가 아니라 부분 결과 값에 대한 이름

- 장점

• 기계-독립적이고 정확한 의미구조를 가지고 있다.
• 선언적 프로그래밍이 가능하다

- Prolog

• 대표적인 논리 언어
• 인공지능, 자연어 처리 등의 분야에서 많이 사용 

4) 객체지향 언어 (Object-oriented language)

- 객체지향 언어의 시작

• 실세계를 모의실험하기 위한 언어로 고안
• 객체 개념을 기반으로 하는 프로그래밍 스타일

- 객체 (object) : 속성과 관련 행동(함수, 메소드)들의 모음으로 표현
- 계산과정 (computation) : 객체들 사이의 상호 작용 (메소드 호출)
- 클래스 (class)

• 클래스는 객체에 대한 타입 정의
• 객체는 클래스의 한 실체(instance)

 

1.3 프로그래밍 언어의 역사

1) 1950년대 : 고급 프로그래밍 언어의 시작

-  FORTRAN (FORmula TRANslation)

• 과학응용 분야를 위한 효율성을 강조한 최초의 고급 언어
• 설계 목표 : 매우 빠르게 실행되는 코드 생성
• 주요 기능 : 배열 (array), FOR 반복문, 분기 IF-문 등

- COBOL (COmmon Business-Oriented Langauge)

• 사무용으로 설계된, 영어와 비슷한 구문을 갖는 명령형 언어 (범용, 비즈니스)
• 주요 기능 : 레코드 구조, 프로그램의 실행부와 분리된 자료구조
• 다양한 출력 기능 등

- LISP (List Processor)

• 리스트 자료구조와 함수 적용을 기반으로 함
• 재귀호출 (recursive call)이 매우 일반적임
• LISP와 후속 언어 Scheme은 인공지능 분야에서 많이 사용됨

2) 1960년대 : 프로그래밍 언어의 다양성

- Algol60/68

• 알고리즘을 기술하기 위한 강력한 범용 언어
• Pascal, C, Modula-2, Ada 같은 현대의 명령어 언어에 영향을 줌
• 주요 특징
  • 구조적 문장, begin-end 블록
  • 자유 양식 (free format), 변수의 타입 선언
  • 재귀 호출, 값 전달 매개변수

- Algol68

• Algol60을 향상하여 더 표현력 있고 이론적으로 완전히 일관성 있는 구조를 생성하려고 함.

- PL/I

• 일반적이고 보편적인 언어, 즉 모든 언어를 통합하는 언어
  • FORTRAN, COBOL, Algol60의 가장 좋은 특징을 모두 결합
  • 병행성과 예외처리 기능 추가
• 배우기도 어렵고 사용하는 데 오류 발생이 많음
  • 너무 복잡해서 언어 기능들 사이에서 예측할 수 없는 상호작용이 많음

- Simula-67

• 최초의 객체지향 언어로 모의실험(simulation)을 위해 설계됨
• 객체와 클래스 개념을 소개함으로써 공헌함

- BASIC

• 단순한 언어로 PC로 이전되어 교육용 언어로 많이 사용됨
• 이후 마이크로소프트사에 의해 Visual Basic 형태로 발전됨.

 

3) 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

- Prolog

• 술어 논리를 사용하는 대표적인 논리 프로그래밍 언어
• 증명하는 것을 계산하는 것으로 간주
• 인공지능, 자연어 처리 등의 분야에서 많이 사용됨

- Scheme : 더 형식적이고 람다 계산에 더 가깝게 설계된 향상된 LISP 버전
- ML : Pascal과 가까운 구문을 가지고 다형 타입 검사 매커니즘을 제공하는 함수형 언어
 

4) 1980년대 : 추상 자료형과 객체 지향

- 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
• Pascal처럼 가능한 한 작고 단순한 언어로 설계
• 주요 기능
  • 모듈 (추상 자료형), 코루틴 (부분적인 병행성)

- Smalltalk

• 순수한 객체지향 언어
• Ruby, Objective-C, Java, Python, Scala 등의 언어에 영향을 줌
• 최초로 GUI를 제공하는 언어

- C++

• C언어를 확장함. 
  • C언어의 구조체 - 클래스 형태로 확장
• C언어의 효율성을 유지하면서도 객체지향 프로그래밍 가능
• 포인터와 같은 C언어의 중요한 특징을 그대로 포함하고 있음.

 

5) 1990년대 : 인터넷 언어와 새로운 시도

- Python 

• 대화형 인터프리터 방식의 프로그래밍 언어
• 플랫폼 독립성, 객체지향, 동적 타입(dynamic type)
• 교육용 및 빅데이터를 비롯한 다양한 분야에서 응용되고 있음

- 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 프로그래밍에 주로 사용
• Node.js와 같은 런타임 환경과 같이 서버 프로그래밍에서도 사용

 

6) 2000년대 : 새로운 미래를 향하여

- C#

• Java를 모방한 마이크로소프트 버전
• 닷넷 프레임워크를 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 Swift

• Swift는 기존의 Mac용 언어인 Objective-C와 함께 공존
• Objective-C처럼 LLVM으로 빌드되고 같은 런타임 시스템을 공유
• 특징 : 클로저, 다중 리턴 타입, 네임스페이스, 제너릭, 타입 유추

 

1.4 추상화와 명령형 언어의 발전

1) 프로그래밍 언어 발전 과정

- 컴퓨터 : Von Neuman model computer (폰 노이만 모델 컴퓨터)
- 초창기 프로그램 : 컴퓨터에 명령하는 기계어 명령어들로 작성
 

2) Von Neuman 모델 컴퓨터

- 프로그램 내장 방식 컴퓨터 

• stored-program computer
• 메모리에 프로그램(명령어와 데이터) 저장

- 메모리에 저장된 명령어 순차 실행

• CPU sequentially execute instructions in memory
• PC : 다음 실행할 명령어를 가리키는 레지스터

- 명령어

• 메모리에 저장된 값을 조작 혹은 연산
• instructions operate on values stored in memory

- 컴퓨터 프로그램 실행 : CPU의 인출-해석-실행 (fetch-decode-execute) 주기 반복

• CPU는 메모리 내에 저장되어 있는 프로그램의 명령어를 한 번에 하나씩 가져와서 해석하고 실행

 

3) 명령형 언어 (Imperative language)

- 명령형 언어의 발전

• Imperative programming languages began by imitating and abstracting the opreations of von Neuman model computer

- 폰 노이만 모델 컴퓨터의 특징을 많이 가지고 있음.

• 순차적 명령어 실행
• 메모리 위치를 나타내는 변수 사용
• 대입문을 사용한 변수 값 변경
• 사람의 필요보다는 켬퓨터 모델을 기반으로 한 언어

 

4) 추상화 (Abstraction)

- 추상화 : 실제적이고 구체적인 개념들을 요약하여 보다 높은 수준의 개념을 유도하는 과정
- 명령형 언어는 아래 내용을 추상화

• 컴퓨터의 데이터, 연산, 명령어 등을 추상화
• 데이터 추상화
• 제어 추상화

(1) 데이터 추상화 (Data Abstraction)
- 데이터 추상화

• 저수준의 데이터나 자료형들을 요약하고 추상화하여 보다 고차원의 새로운 자료형 또는 자료구조를 만드는 과정을 의미

- 기본 추상화

• 기본 데이터 관련 요약
• ex.
  • 변수 (variable) : 데이터 값을 저장하는 메모리 위치
  • 자료형 (data type) : 값들의 종류에 대한 이름

 
- 구조적 추상화 : 관련된 여러 값/변수들의 모음을 요약

• 배열 : 같은 타입의 연속된 변수들의 모음
• 레코드 (구조체) : 다른 타입의 연관된 변수들의 모음

- 프로그래밍 언어와 추상화

• 프로그래밍 언어는 이러한 추상화된 개념을 제공
• 프로그래머는 이러한 개념을 기반으로 프로그래밍

(2) 제어 추상화 (Control Abstraction)
- 제어 추상화

• 실행 흐름을 나타내는 저수준 명령어들을 요약하고 추상화하여 보다 높은 수준의 제어 구조를 만드는 과정

- 기본 추상화

• 몇 개의 기계어 명령어들을 하나의 문장으로 요약
• 대입문
• goto 문 : jump 명령어의 요약

- 구조적 제어 추상화

• 테스트 내의 중첩된 기계어 명령어들을 하나의 문장으로 요약

- 예 

• if-문, switch-문
• for-문, while-문

- 장점

• 기계에 대한 추상화(요약된) 관점
• 다른 제어 문장들과 중첩되어 사용될 수 있음

- 프로시저 (함수, 메소드)

• 선언 : 일련의 계산 과정을 하나의 이름으로 요약해서 정의
• 호출 : 이름과 실 매개변수를 이용하여 호출

(3) 추상 자료형 (Abstract Data Type)
- 추상 자료형

• 데이터 + 관련 연산
• 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 (lexical structure) : 언어 구조에서 사용하는 단어의 구조, 철자법
- 구문법 (syntax)

• 구성 요소를 이용하여 문장/프로그램을 구성하는 방법
• 문법을 이용하여 기술할 수 있음
• Context-free grammer in BNF(Backus-Naur Form)

- 의미론

• 문장/프로그램의 의미를 정하는 것
• 자연어 혹은 수학적으로 기술

 

2) 프로그래밍 언어 구현

- 프로그래밍 언어 구현 : 입력 프로그램 ➡️ Syntax ➡️ Semantics ➡️ Interpret/Compile
- 프로그래밍 언어 구현

• 입력 받은 소스 프로그램이구문법에 맞는지 검사
• 그 의미에 맞게 동작하도록 해석 or 기계어 명령어들로 번역