CPP 1. Type of Expressions and References

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안녕하세요. 이번 시리즈에서는 C++에 관한 이것저것을 다루고자 합니다. 대부분의 경우 C++17 (gcc 기준)을 타겟팅하여 다룰 예정입니다. 거의 모든 시리즈가 1~2편밖에 안 나오는 것 같네요.. 사실 Linear Algebra 2편을 만들다가 회사에서의 일들, 이직 등 때문에 많은 플로우가 끊겼는데, 나머지 시리즈들도 시간이 남을 때 만들어보도록 하겠습니다.

이 시리즈 또한 기초적인 내용(for, if문 사용법 등등..)은 제외하고, 제가 다루고 싶은 주제들을 하나하나 다루어보고자 합니다. 이번 포스팅에서는 C++의 expression type에 관하여 소개하고자 합니다.

History¶

C언어와 C++98에서는 expression의 종류를 크게 "lvalue"와 "rvalue"라는 2가지로 나눴습니다. lvalue는 left value로 등호 왼쪽에 오는 값이고, rvalue는 right value로 등호 오른쪽에 오는 값이라는 아주 심플한 컨셉을 가지고 있었습니다. 하지만 C++11부터 복합 카테고리를 포함한 총 5가지 컨셉의 expression type이 완성되면서 직관적인 이해가 조금 더 어려운 방향으로 진화하였습니다.

5 Expression Types¶

다음은 Microsoft C++ Tutorial에서 만든 Expression Type Classification 이미지입니다.

dydtjr1128님의 블로그에서 좋은 이미지가 있어서 이것도 첨부합니다.

이 표를 기반으로 하나하나 따져보도록 하겠습니다. 그리고 그것들을 따져보기 전, 다음 2가지를 잠깐 짚고 넘어가도록 하겠습니다.

Have identity vs. Have no identity¶

Identity를 가진다는 것은, 해당 변수가 그 자체만으로도 식별 가능하다는 것을 의미합니다. 더 자세하게 파면, 서로 다른 두 expression이 "데이터는 물론 주소까지 같은" 값을 가리키고 있는 지 판별하는 것이 가능한 값들을 의미합니다.

Movable vs Unmovable¶

어떤 expression이 movable하다는 것은, move constructor, move assignment operator, 혹은 move semantics를 구현하는 어떤 함수가 이 expression에 적용 가능한 지를 말합니다. 메모리 상에서 값이 이동 가능한 지를 묻는 것과는 다릅니다! Move semantics에 대해서는 별도의 포스팅에서 다루도록 하겠습니다.

glvalue (Generalized Left Value)¶

glvalue has an identity.

glvalue의 특징은 다음과 같습니다.

glvalue는 lvalue -> rvalue, array -> pointer, function -> pointer 등의 implicit conversion에 의해 prvalue로 변환될 수 있습니다.
glvalue는 polymorphic할 수 있습니다.
glvalue는 incomplete type을 가질 수 있습니다.

rvalue (Right Value)¶

rvalue can be moved.

rvalue의 특징은 다음과 같습니다.

rvalue의 주소는 프로그래머가 직접 알아낼 수 없습니다. (오직 컴파일러만 접근 가능합니다.) 예를 들어 &1, &i++, &std::move(x) 는 모두 컴파일 불가합니다.
rvalue는 built-in 대입연산자(=)의 왼쪽에 위치할 수 없습니다.
rvalue는 "const lvalue reference" 또는 "rvalue reference"가 만들어질 때 쓰일 수 있으며, 그렇게 될 경우 해당 오브젝트의 수명이 더 길어지게 됩니다. (해당 reference가 끝날 때까지로 연장)
rvalue가 2개의 overloaded signature(하나는 const lvalue reference, 다른 하나는 rvalue reference를 받는)가 있는 함수의 인자로 들어갔을 때, rvalue reference를 받는 함수가 호출이 됩니다.

lvalue (Left Value)¶

lvalue has an identity, but cannot be moved.

lvalue는 glvalue의 자식이므로, glvalue의 특징을 모두 물려받습니다. 그 외에, 다음과 같은 특징이 있습니다.

lvalue의 주소는 & 연산자를 통해 접근할 수 있습니다. (다른 값들은 불가능)
const가 아닌 lvalue는 대입연산자 부류의 왼쪽 피연산자가 될 수 있습니다.
lvalue는 lvalue reference를 만드는 데 쓸 수 있습니다.

lvalue로 가능한 값들은 다음 목록과 같습니다.

변수, 함수의 이름
데이터 멤버(타입 무관): std::cin 등
lvalue reference를 return하는 함수 콜: std::getline(std::cin, x), std::cout << 1 등
대입연산 부류: a = b, a += b 등
빌트인 prefix 증감 연산: a++, a--
빌트인 참조 연산: *ptr
빌트인 subscription 연산: array[n]
오브젝트 멤버/멤버참조 연산 (단, 예외 몇 가지 있음): obj.member, objptr->member
오브젝트/포인터의 멤버를 향하는 포인터 연산: obj.*alias, objptr->*alias
콤마 연산(단, 콤마 오른쪽 값이 lvalue여야 함): a, b
삼항 연산(b, c 값이 특정 조건들 중 하나를 만족하면 되는데 이 리스트가 굉장히 복잡합니다.. 보통 둘 다 lvalue인 상황이 흔합니다): a ? b : c
문자열 리터럴: "abcdefg"
lvalue reference를 향한 casting: static_cast<int&>(x) 등
lvalue reference type의 non-type 템플릿 파라미터(template <int n> 같은 걸 얘기하는 듯 합니다)
리턴 타입이 "rvalue reference to function"인 함수 콜(또는 오버로딩된 연산자의 연산)
"rvalue reference to function"을 향한 casting: static_cast<void (&&)(int)>(x)

prvalue (Pure Right Value)¶

prvalue has no identity, but can be moved.

prvalue는 rvalue의 자식이므로, rvalue의 특징을 모두 물려받습니다. 그 외에, 다음과 같은 특징이 있습니다.

prvalue는 polymorphic할 수 없습니다. (glvalue와 반대)
non-class non-array prvalue는 (해당 값이 materialized되지 않은 한) const/volatile이 붙을 수 없습니다.
prvalue는 incomplete type을 가질 수 없습니다. (glvalue와 반대)
prvalue를 가지는 Abstract class type이나 배열은 존재할 수 없습니다.

prvalue로 가능한 값들은 다음과 같습니다.

문자열을 제외한 모든 리터럴: 1, -2.34, true, nullptr 등
non-reference를 반환하는 모든 함수 콜이나 오버로딩된 연산자 연산: int f(int x)의 f(10), str1 + str2 등
Postfix 증감 연산: a++, a--
빌트인 arithmetic, logical, comparison 연산: a + b, a || b, a << b, a <= b 등
빌트인 주소 참조 연산: &ptr
포인터/오브젝트의 멤버/멤버포인터 참조 연산: obj.member, ptr->member, obj.*memberptr, ptr->*memberptr (non-static member에 한함)
콤마 연산(b가 rvalue): a, b
삼항 연산(이것 역시 b, c가 특정 조건 하에..): a ? b : c
클래스의 this 포인터
Enum의 enumerator
non-type scalar 템플릿 파라미터
람다 익스프레션: [](int x){ return x+1; } 등

xvalue (eXpiring Value)¶

xvalue has an identity, and also can be moved.

xvalue는 glvalue의 자식이면서 동시에 rvalue의 자식이므로, glvalue의 특징과 rvalue의 특징을 모두 갖습니다.

xvalue로 가능한 값들은 다음과 같습니다.

오브젝트의 멤버 / 멤버 포인터 연산 (단, obj가 rvalue이고 member가 non-static member일 때): obj.member, obj.*member
삼항 연산(b, c 값이 특정 조건들 중 하나를 만족할 때): a ? b : c
리턴 타입이 rvalue reference인 함수 콜 또는 오버로딩된 연산자의 연산: std::move(x) 등
array rvalue에 대한 빌트인 subscription 연산: array[n]
rvalue reference type을 향한 cast 연산: static_cast<char&&>(x) 등
Temporary materialization 이후에 발생하는 모든 임시 오브젝트

Reference¶

위에서 일부 expression type의 특징을 설명하기 위해 사용된 용어인 lvalue reference와 rvalue reference에 대해 갸우뚱하실 수도 있을 것 같아, 이에 대한 섹션도 준비해보았습니다.

Reference stores an address of specific object like pointer, however, the address cannot be changed after it's initialized.

Reference를 initialize하기 위해서는 기본적으로 다음과 같은 syntax를 씁니다. (T는 type specifier입니다)

// Basic
T &ref = ...;
T &&ref = ...;

// Brace initialization
T &ref {...};
T &&ref {...};

// Reference to a function;
T (&ref) (arg1, arg2, ...) = ...;
T (&&ref) (arg1, arg2, ...) = ...;

위 코드에서 보실 수 있듯이, 기본적으로 T& 또는 T&&의 형태를 갖추고 있습니다. 물론, 다음과 같이 한 라인 안에 일반 오브젝트, 레퍼런스, 그리고 포인터를 선언할 수도 있습니다. 다음 코드에서는 일반 오브젝트 b가 a를 copy하고, c랑 d는 a를 가리키도록 각각 레퍼런스와 포인터를 선언했습니다.

int main(void) {
    int a=1;
    int b=a, &c=a, *d=&a;
    return 0;
}

레퍼런스는 기본적으로 오브젝트의 주소를 들고 있지만 일반 오브젝트처럼 동작합니다. 따라서 다음과 같은 코드는 레퍼런스의 주소를 바꾸지 않고, 레퍼런스가 홀딩하는 주소의 값을 바꿉니다. 다음 코드는 12가 아니라 22를 출력합니다.

#include <iostream>

int main(void) {
    int a=1, b=2;
    int &a_ref = a;
    a_ref = b; // Change the value of a;
    std::cout << a << b << std::endl;
    return 0;
}

Reference to the pointer(포인터를 향한 레퍼런스)는 가능합니다. 하지만 pointer to the reference(레퍼런스를 향한 포인터)는 언어 차원에서 금지되어 있습니다. 레퍼런스 자체는 기본적으로 어떤 value의 alias이기 때문입니다.

int main(void) {
    int original;
    int &ref = original;
    int *ptr = &original;
    int *&ref_to_ptr = ptr;
    // int &*ptr_to_ref = &original; // Compile Error!
}

lvalue reference¶

lvalue reference는 lvalue expression을 가리키는 레퍼런스를 의미합니다. 단순하게 생각해서 lvalue reference를 만든다는 것은, 어떤 lvalue 오브젝트의 또 다른 이름을 만드는 것이라고 생각하셔도 무방합니다. Initialize/declare시 T &ref로 표현됩니다.

일반적으로 lvalue reference는 오직 lvalue를 통해서만 만들어질 수 있지만, 예외적으로 const lvalue reference는 rvalue를 통해서도 만들어질 수 있습니다. (단, modify는 못합니다.)

int main(void) {
    int original = 1;
    int &ref1 = original;
    const int &ref2 = 1;
    return 0;
}

rvalue reference¶

rvalue reference는 rvalue expression(= prvalue + xvalue)을 가리키는 레퍼런스를 의미합니다. temporary object들의 lifetime을 연장하기 위해, 또는 move semantics를 구현하기 위해 자주 사용됩니다. const lvalue reference 또한 Initialize/declare시 T &&ref로 표현됩니다.

rvalue reference를 제대로 설명하기 위해서는 move semantics에 대한 설명이 필요합니다. 이에 대해서는 부가적인 포스팅에서 제대로 다뤄보도록 하겠습니다. 간단히 요약하면, move semantics를 사용하면 a = b 등을 할 때 메모리 상에서 존재하는 실제 값의 이동이 필요하지 않고, 대신에 다른 변수가 이 주소를 가리키도록 할 수 있습니다.

#include <utility>

int main(void) {
    int &&r_ref = (1+2)*3;
    int original = 4;
    int &&r_ref2 = std::move(original);
    return 0;
}

지금까지 Expression Type, lvalue reference, rvalue reference에 대해 알아보았습니다. 새 회사에 들어가서 C++를 공부하는 과정에서 C++의 많은 부분을 간략하게 커버하게 되었는데, 포스팅을 작성하면서 조금 더 딥하게 커버해보도록 하겠습니다. 다만 C++ Reference 웹사이트와 Microsoft C++ References를 복붙하는 느낌도 없지 않아 들어서.. 최대한 저만의 방식으로 전달할 수 있도록 노력해야겠다는 생각도 많이 들었습니다.

이상으로, C++ 시리즈의 첫 포스팅을 마치겠습니다. 감사합니다.

Updated at Jan 03, 2024 ( 6fc6643.. )
Created at Jan 30, 2023 ( from outside )
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