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모두를 위한 컴퓨터 과학 (CS50 2019) 강좌소개 : 부스트코스 (boostcourse.org)

모두를 위한 컴퓨터 과학 (CS50 2019)

컴공 전공자라서 굳이 안 들어도 되지만.. 초심을 되찾고자 하는 마음으로 들어보았다. 

그 중에서 정리해놓으면 좋을 것 같은 것들을 모아봄!

 

 

비트

정보를 저장하고 연산을 수행하기 위해 컴퓨터는 비트(bit)라는 측정 단위를 씁니다. 비트는 이진 숫자라는 뜻을 가진 “binary digit”의 줄임말이며, 0과 1, 두 가지 값만 가질 수 있는 측정 단위입니다. 

 

비트열

바이트(byte)는 여덟 개의 비트가 모여 만들어진 것입니다. 하나의 바이트에 여덟 개의 비트가 있고, 비트 하나는 0과 1로 표현될 수 있기 때문에 2^8 = 256 개의 서로 다른 바이트가 존재할 수 있습니다.

바이트가 모이면 더 큰 단위가 될 수 있습니다. 킬로바이트는 1,000 바이트, 메가바이트는 1,000 킬로바이트(100만 바이트), 기가바이트는 1,000 메가바이트(10억 바이트)입니다. 테라바이트는 1,000 기가바이트(1조 바이트)이며, 심지어 페타바이트와 엑사바이트와 같은 더 큰 단위도 존재합니다.

 

 

아스키코드

 

데이터 타입

• bool (1바이트) : 불리언 표현, (예) True, False, 1, 0, yes, no
• char (1바이트) : 문자 하나 (예) 'a', 'Z', '?'
• string: 문자열
• int (4바이트) : 특정 크기 또는 특정 비트까지의 정수 (예) 5, 28, -3, 0
• long (8바이트) : 더 큰 크기의 정수
• float (4바이트): 부동소수점을 갖는 실수 (예) 3.14, 0.0, -28.56
• double (8바이트) : 부동소수점을 포함한 더 큰 실수

 

형식 지정자

• %c : char
• %f : float, double
• %i : int
• %li : long
• %s : string

 

 

전처리(Precompile)

컴파일의 전체 과정은 네 단계로 나누어볼 수 있습니다. 그 중 첫 번째 단계는 전처리인데, 전처리기에 의해 수행됩니다. # 으로 시작되는 C 소스 코드는 전처리기에게 실질적인 컴파일이 이루어지기 전에 무언가를 실행하라고 알려줍니다.

예를 들어, #include는 전처리기에게 다른 파일의 내용을 포함시키라고 알려줍니다. 프로그램의 소스 코드에 #include 와 같은 줄을 포함하면, 전처리기는 새로운 파일을 생성하는데 이 파일은 여전히 C 소스 코드 형태이며 stdio.h 파일의 내용이 #include 부분에 포함됩니다.

 

컴파일(Compile)

전처리기가 전처리한 소스 코드를 생성하고 나면 그 다음 단계는 컴파일입니다. 컴파일러라고 불리는 프로그램은 C 코드를 어셈블리어라는 저수준 프로그래밍 언어로 컴파일합니다.

어셈블리는 C보다 연산의 종류가 훨씬 적지만, 여러 연산들이 함께 사용되면 C에서 할 수 있는 모든 것들을 수행할 수 있습니다. C 코드를 어셈블리 코드로 변환시켜줌으로써 컴파일러는 컴퓨터가 이해할 수 있는 언어와 최대한 가까운 프로그램으로 만들어 줍니다. 컴파일이라는 용어는 소스 코드에서 오브젝트 코드로 변환하는 전체 과정을 통틀어 일컫기도 하지만, 구체적으로 전처리한 소스 코드를 어셈블리 코드로 변환시키는 단계를 말하기도 합니다.

 

어셈블(Assemble)

소스 코드가 어셈블리 코드로 변환되면, 다음 단계인 어셈블 단계로 어셈블리 코드를 오브젝트 코드로 변환시키는 것입니다. 컴퓨터의 중앙처리장치가 프로그램을 어떻게 수행해야 하는지 알 수 있는 명령어 형태인 연속된 0과 1들로 바꿔주는 작업이죠. 이 변환작업은 어셈블러라는 프로그램이 수행합니다. 소스 코드에서 오브젝트 코드로 컴파일 되어야 할 파일이 딱 한 개라면, 컴파일 작업은 여기서 끝이 납니다. 그러나 그렇지 않은 경우에는 링크라 불리는 단계가 추가됩니다.

 

링크(Link)

만약 프로그램이 (math.h나 cs50.h와 같은 라이브러리를 포함해) 여러 개의 파일로 이루어져 있어 하나의 오브젝트 파일로 합쳐져야 한다면 링크라는 컴파일의 마지막 단계가 필요합니다. 링커는 여러 개의 다른 오브젝트 코드 파일을 실행 가능한 하나의 오브젝트 코드 파일로 합쳐줍니다. 예를 들어, 컴파일을 하는 동안에 CS50 라이브러리를 링크하면 오브젝트 코드는 GetInt()나 GetString() 같은 함수를 어떻게 실행할 지 알 수 있게 됩니다.

버그와 디버깅

버그(bug)는 코드에 들어있는 오류입니다. 버그로 인해 프로그램의 실행에 실패하거나 프로그래머가 원하는 대로 동작하지 않게 됩니다. 버그를 만들고 싶지 않겠지만 모든 프로그래머들은 버그와 마주하게 되어있습니다. 디버깅(debugging)은 코드에 있는 버그를 식별하고 고치는 과정입니다. 프로그래머는 디버거라고 불리는 프로그램을 사용하여 디버깅을 하게 됩니다.

 

 

위와 같은 그림을 공식으로 표기한 것이 Big O 표기법입니다.

여기서 O는 “on the order of”의 약자로, 쉽게 생각하면 “~만큼의 정도로 커지는” 것이라고 볼 수 있습니다.

O(n) 은 n만큼 커지는 것이므로 n이 늘어날수록 선형적으로 증가하게 됩니다. O(n/2)도 결국 n이 매우 커지면 1/2은 큰 의미가 없어지므로 O(n)이라고 볼 수 있습니다.

주로 아래 목록과 같은 Big O 표기가 실행 시간을 나타내기 위해 많이 사용됩니다.

• O(n^2)
• O(n log n)
• O(n) - 선형 검색
• O(log n) - 이진 검색
• O(1)

 

Big O가 알고리즘 실행 시간의 상한을 나타낸 것이라면, 반대로 Big Ω는 알고리즘 실행 시간의 하한을 나타내는 것입니다.

예를 들어 선형 검색에서는 n개의 항목이 있을때 최대 n번의 검색을 해야 하므로 상한이 O(n)이 되지만 운이 좋다면 한 번만에 검색을 끝낼수도 있으므로 하한은 Ω(1)이 됩니다.

역시 아래 목록과 같은 Big Ω 표기가 많이 사용됩니다.

• Ω(n^2)
• Ω(n log n)
• Ω(n) - 배열 안에 존재하는 값의 개수 세기
• Ω(log n)
• Ω(1) - 선형 검색, 이진 검색

 

 

 

선형 검색 O(n) / Ω(1)

 

버블 정렬 O(n^2) / Ω(n^2), Ω(n)

정렬 알고리즘 중 하나는 버블 정렬입니다.

버블 정렬은 두 개의 인접한 자료 값을 비교하면서 위치를 교환하는 방식으로 정렬하는 방법을 말합니다.

만약 정렬이 모두 되어 있는 숫자 리스트가 주어진다면 교환이 하나도 일어나지 않습니다. 

그렇게 되면 버블 정렬의 하한은  Ω(n)이 됩니다.

 

선택 정렬 O(n^2) / Ω(n^2)

정렬을 위한 알고리즘 중 선택정렬을 배열 안의 자료 중 가장 작은 수(혹은 가장 큰 수)를 찾아 첫 번째 위치(혹은 가장 마지막 위치)의 수와 교환해주는 방식의 정렬입니다.

선택 정렬은 교환 횟수를 최소화하는 반면 각 자료를 비교하는 횟수는 증가합니다.

 

병합 정렬 O(n log n) / Ω(n log n)

전화번호부의 분할 정복 탐색처럼 데이터를 반으로 나누어간다는 것과 공통점이 있는 방법인 병합 정렬(합병 정렬)이 있습니다.

병합 정렬은 원소가 한 개가 될 때까지 계속해서 반으로 나누다가 다시 합쳐나가며 정렬을 하는 방식입니다.

 

       7 | 4 | 5 | 2 | 6 | 3 | 8 | 1 → 가장 작은 부분 (숫자 1개)으로 나눠진 결과입니다.

4   7 | 2   5 | 3   6 | 1   8 → 숫자 1개씩을 정렬하여 병합한 결과입니다.

2   4   5   7 | 1   3   6   8 → 숫자 2개씩을 정렬하여 병합한 결과입니다.

1   2   3   4   5   6   7   8 → 마지막으로 숫자 4개씩을 정렬하여 병합한 결과입니다.