문자열

3. 문자열의 목적 및 역사

문자열의 주요 목적은 단어와 문장처럼 사람이 읽을 수 있는 텍스트를 저장하는 것이다. 컴퓨터 프로그램에서는 사용자에게 정보를 전달하거나^[2] 사용자로부터 입력을 받는 데 문자열을 활용한다. 또한, 사람이 직접 읽을 목적이 아니더라도 문자로 표현된 데이터를 저장하는 데 사용될 수도 있다.

문자열의 다양한 사용 예시와 목적은 다음과 같다.

• "파일 업로드 완료"와 같은 메시지는 소프트웨어가 최종 사용자에게 보여주는 대표적인 문자열이다. 프로그램의 소스 코드에서는 보통 문자열 리터럴 형태로 존재한다.
• "오늘 새 직장을 얻었어요"처럼 사용자가 입력한 텍스트는 소셜 미디어의 상태 업데이트 등에 사용된다. 이러한 문자열은 프로그램 내부에 고정된 값이 아니라 데이터베이스 등에 저장되는 경우가 많다.
• "AGATGCCGT"와 같은 알파벳 데이터는 DNA의 염기 서열을 나타내는 예시이다.^[3]
• "?action=edit"과 같은 컴퓨터 설정이나 매개변수는 URL의 쿼리 문자열 형태로 사용된다. 이런 문자열은 어느 정도 사람이 읽을 수 있도록 만들어지기도 하지만, 주된 목적은 컴퓨터와의 통신이다.

3. 1. 역사

4. 프로그래밍 언어의 문자열 데이터 타입

프로그래밍 언어 비교 (문자열 함수) 문서도 참고할 수 있다.
문자열 데이터 타입은 형식적인 문자열을 모델로 한 데이터 타입이다. 문자열은 매우 중요하고 유용한 데이터 타입이기 때문에 거의 모든 프로그래밍 언어에서 구현된다. 일부 언어에서는 기본 자료형으로, 다른 언어에서는 복합 자료형으로 제공된다. 대부분의 고급 프로그래밍 언어 구문은 문자열 데이터 타입의 인스턴스를 나타내기 위해 특정 방식으로 따옴표로 묶인 문자열 표기를 허용하는데, 이를 리터럴 또는 문자열 리터럴이라고 한다.

문자열 처리는 수치 연산과 함께 컴퓨터의 기본적인 처리 작업 중 하나이다. 많은 프로그래밍 언어는 문자열을 다루기 위한 데이터형이나 서브루틴(절차, 함수, 메서드) 등을 제공한다. 예를 들어 C#처럼 문자열이 내장 기본형으로 제공되는 언어도 있고^[27][28], C 언어처럼 문자열을 기본형으로 갖지 않는 언어도 있다. C 언어에서는 문자열을 배열과 포인터를 이용해 다루며, 문자열의 길이 관리나 메모리 관리에 프로그래머가 더 주의를 기울여야 한다.^[32]

컴퓨터 내부에서 문자열은 문자 코드 규칙에 따라 숫자로 변환되어 저장되고 처리된다. 과거에는 ASCII와 같이 1바이트로 문자를 표현하는 방식이 주로 사용되었으나, 한글과 같이 문자 수가 많은 언어를 표현하기 위해 다양한 문자 인코딩 방식이 발전해왔다. 현대적인 언어들은 유니코드를 기반으로 다국어 문자열 처리를 지원하는 경우가 많다.

문자열을 메모리에 저장하고 관리하는 방식은 언어마다 다르며, 대표적으로 문자열 끝에 특정 문자를 두는 방식(널 종료 문자열)이나 길이를 별도로 저장하는 방식 등이 있다. 윈도우 환경의 BSTR처럼 두 방식을 혼합한 형태도 존재한다.^[31]

C++(C++)와 같은 객체 지향 프로그래밍 언어나 동적 언어, 스크립트 언어 등 후대의 고수준 언어들은 문자열을 보다 직관적으로 다룰 수 있는 풍부한 기능과 라이브러리를 표준으로 제공하는 경향이 있다. 이러한 언어에서는 문자열이 길이 정보 등을 포함하는 캡슐화된 데이터 구조(객체)로 구현되는 경우가 많다.

문자열 상수를 코드 내에 표기할 때는 대부분의 언어에서 큰따옴표(`"`)를 사용하지만, 작은따옴표(`'`)를 사용하거나 둘 다 허용하는 언어도 있다.

문자열의 구현 방식, 문자 인코딩의 종류와 특징, 그리고 문자열의 내용을 변경할 수 있는지 여부(불변성/가변성)에 대한 자세한 내용은 하위 섹션에서 다룬다.

4. 1. 문자열 데이터 타입의 종류

• '''고정 길이 문자열''': 컴파일 타임에 최대 길이가 정해지는 문자열이다. 이 방식은 문자열의 실제 사용 길이와 관계없이 항상 정해진 최대 길이만큼의 메모리를 사용한다.
• '''가변 길이 문자열''': 런타임에 길이를 변경할 수 있는 문자열이다. 실제 필요한 만큼 메모리 공간을 유동적으로 사용하며(메모리 관리 참조), 현대 프로그래밍 언어에서는 대부분 이 방식을 채택한다. 물론 가변 길이 문자열이라도 사용 가능한 컴퓨터 메모리의 크기에 따라 길이에 제한을 받는다.

4. 2. 문자 인코딩

• UTF-8: 가변 길이 인코딩 방식으로, ASCII 문자는 1바이트로 표현되어 기존 ASCII와 호환성을 유지하며, 다른 문자들은 길이를 가변적으로 조절하여 표현한다. 웹을 비롯한 다양한 환경에서 사실상의 표준으로 널리 사용되며, 이전 멀티바이트 인코딩들이 가졌던 문제점들을 상당 부분 해결하도록 설계되었다. 특히 한국어를 포함한 다양한 언어를 효율적으로 표현할 수 있다.
• UTF-16: 주로 자바나 윈도우 내부 처리 등에서 사용되는 가변 길이 인코딩 방식이다. 기본 다국어 평면(BMP)의 문자는 2바이트로, 그 외의 문자는 4바이트(서로게이트 페어)로 표현한다.
• UTF-32: 모든 문자를 고정된 4바이트로 표현하는 방식이다. 코드 포인트당 길이가 일정하다는 장점이 있지만, 메모리 사용량이 크다는 단점이 있다. 다만, 유니코드의 결합 문자나 음소 클러스터(grapheme cluster) 개념 때문에 UTF-32의 코드 포인트 하나가 반드시 화면상에 보이는 문자 하나와 일치하는 것은 아니다.^[32]

4. 3. 문자열 표현 방식

역사적으로 널 문자가 아닌 다른 특수 문자를 종료 문자로 사용한 경우도 있었다. 일부 어셈블리 시스템에서는 `$` 기호를, CDC 시스템에서는 `:` 기호를 사용했으며(이 문자는 0의 값을 가짐), ZX80과 같은 초기 컴퓨터는 BASIC 언어에서 문자열 구분 기호로 큰따옴표(`"`)를 사용하기도 했다.^[12] IBM 1401과 같은 초기 컴퓨터는 특수한 워드 마크 비트를 사용하여 문자열의 시작(또는 끝)을 표시하기도 했다. 또한 초기 마이크로컴퓨터 소프트웨어 중 일부는 ASCII 코드가 사용하지 않는 최상위 비트를 문자열 종료 표시에 활용하기도 했다.^[13]

=== 길이 접두어 방식 ===

문자열의 시작 부분에 문자열의 길이를 나타내는 숫자 값을 명시적으로 저장하는 방식이다. 이 방식은 파스칼 계열 언어에서 많이 사용되었기 때문에 파스칼 문자열(P-string)이라고도 불린다.

초기 구현에서는 길이를 1바이트로 저장하여 최대 문자열 길이가 255로 제한되었지만, 이후 16비트, 32비트 또는 64비트 워드를 사용하여 훨씬 긴 문자열을 표현할 수 있게 되었다. 길이를 미리 알 수 있으므로 문자열 길이를 확인하는 작업이 매우 빠르며(상수 시간 복잡도), 널 종료 방식과 달리 문자열 내에 어떤 값이든 포함할 수 있다는 장점이 있다. 길이를 나타내는 필드가 주소 공간 전체를 표현할 수 있다면, 문자열의 길이는 동적 메모리 할당으로 사용 가능한 메모리에 의해서만 제한된다.

길이 정보를 저장하기 위한 추가 공간이 필요하며(''n'' + ''k'', 여기서 ''k''는 길이를 저장하는 워드의 크기), 문자열 길이가 매우 커져서 길이 정보를 저장하는 필드의 크기 자체를 늘려야 할 경우, 문자열 데이터를 메모리 상에서 이동시켜야 하는 상황이 발생할 수 있다.

다음은 10바이트 버퍼에 문자열 "FRANK"를 길이 접두어 방식으로 저장한 예시이다. 첫 번째 바이트에 길이(5)가 저장되고, 그 뒤로 실제 문자 데이터가 온다.

=== 객체 지향 언어 방식 ===

객체 지향 프로그래밍 언어(C++, 자바, C# 등)에서는 문자열을 객체로 다루는 경우가 일반적이다. 이 객체들은 내부적으로 문자 데이터를 저장하는 배열(또는 배열을 가리키는 포인터)과 문자열의 길이를 나타내는 정보를 함께 가지고 있는 레코드나 클래스 형태로 구현된다.

```cpp

// 예시: 문자열 클래스의 내부 구조 (개념적 표현)

class string {

size_t length; // 문자열 길이를 저장하는 변수

char *text; // 문자 데이터가 저장된 메모리 영역을 가리키는 포인터

};

```

이러한 내부 구조는 보통 정보 은닉 원칙에 따라 외부에는 직접 노출되지 않으며, 사용자는 클래스가 제공하는 메서드(함수)를 통해 문자열에 접근하고 조작하게 된다. 필요에 따라 문자열을 저장하는 메모리 공간은 동적으로 할당되거나 확장될 수 있다. string (C++) 클래스도 이와 유사한 방식을 사용한다.

자바의 `java.lang.String` 클래스나 .NET의 `System.String` 클래스처럼 문자열을 불변 객체(immutable object)로 구현하는 경우가 많다. 불변 객체는 한번 생성되면 그 내용을 변경할 수 없으며, 문자열을 수정하는 연산(예: 이어붙이기)은 새로운 문자열 객체를 생성하여 반환한다. 문자열 내용을 직접 변경해야 하는 경우에는 자바에서는 `java.lang.StringBuffer` 클래스나 `java.lang.StringBuilder` 클래스를, .NET에서는 `System.Text.StringBuilder` 클래스^[34]를 사용한다. Objective-C의 경우, 일반적인 `NSString` 클래스^[35]는 불변이며, 편집 가능한 문자열형으로서 별도로 `NSMutableString` 클래스^[36]가 준비되어 있다.

=== 기타 표현 방식 ===

위 방식들 외에도 특정 목적에 맞게 최적화된 다른 문자열 표현 방식들이 존재한다.

• 로프(Rope): 매우 긴 문자열에 대해 삽입, 삭제, 병합 등의 연산을 효율적으로 수행하기 위해 설계된 트리 기반의 자료 구조이다.
• 텍스트 편집기의 자료 구조: 텍스트 편집기는 대용량 텍스트의 편집 작업을 효율적으로 처리하기 위해 갭 버퍼, 줄의 연결 리스트, 피스 테이블 또는 로프와 같은 대체 시퀀스 데이터 구조를 사용하기도 한다. 이를 통해 삽입, 삭제, 실행 취소와 같은 특정 문자열 작업을 더 효율적으로 수행할 수 있다.^[14]
• 런 길이 인코딩이나 해밍 코드와 같은 기술을 사용하여 문자열 표현을 최적화할 수도 있다.

• C 언어: 언어 자체에 내장된 문자열 타입이 없다. 주로 널 종료 문자열(문자 배열과 포인터)을 사용하며, 프로그래머가 직접 메모리 관리와 길이 확인에 주의해야 한다. 문자열 처리를 위한 표준 라이브러리 함수(`strcpy`, `strcat` 등)를 제공한다. C 언어의 배열은 제1급 객체가 아니므로 문자열도 제1급 객체가 아니다. 문자열 리터럴 표기법은 있지만, 실제 타입은 널 종료 고정 길이 문자 배열이다.^[32] C95 표준부터 멀티바이트 문자와 와이드 문자형 `wchar_t`를 지원하기 시작했다.
• C++: C 스타일 널 종료 문자열과 함께 표준 라이브러리의 `std::basic_string` 클래스 템플릿을 제공하여 객체 지향적인 문자열 처리를 지원한다. C 문자열과의 상호 운용성이 고려되어 있다.
• 파스칼: 일부 확장된 버전(예: UCSD 파스칼, 확장 파스칼 등)에서 길이 접두어 방식의 가변 길이 문자열 타입(`string`)을 지원한다. 표준 파스칼(ISO 7185)에서는 문자 배열을 사용해야 했다.^[29][30]
• 자바, C#: 문자열을 기본적인 내장 타입 또는 핵심 클래스로 제공한다. 유니코드를 기반으로 하며(자바의 `char`는 UTF-16), 일반적으로 불변 객체로 구현된다. 문자열 리터럴은 보통 큰따옴표(`"`)로 표기한다. C#의 경우 `string` 키워드는 .NET의 `System.String` 타입의 별칭이다.^[27][28] 자바의 자바 클래스 파일에서는 수정된 UTF-8(Modified UTF-8) 인코딩이 사용되기도 한다.^[33]
• Microsoft Windows 및 COM 환경에서는 널 종료와 길이 정보를 함께 사용하는 `BSTR` 데이터 구조가 사용되기도 한다.^[31]

4. 4. 불변 문자열과 가변 문자열

5. 문자열 관련 언어 및 유틸리티

문자열은 매우 유용한 데이터 형식이므로, 문자열 처리를 쉽게 할 수 있도록 여러 프로그래밍 언어가 설계되었다. 대표적인 예는 다음과 같다.

• AWK
• 아이콘
• MUMPS
• Perl
• Rexx
• 루비
• sed
• SNOBOL
• Tcl
• TTM

6. 형식 이론

Σ를 서로 구별되고, 모호하지 않은 기호(문자라고도 함)의 유한 집합이라고 하자. 이를 알파벳이라고 한다. Σ에 대한 '''문자열'''(또는 '''단어''',^[23] 또는 '''식'''^[24])은 Σ에서 가져온 기호들의 유한한 수열이다.^[25] 예를 들어, Σ = {0, 1}이면, ''01011''은 Σ에 대한 문자열이다.

문자열 ''s''의 ''길이''는 ''s''에 있는 기호의 수(수열의 길이)이며, 음이 아닌 정수가 될 수 있다. 이는 종종 |''s''|로 표기된다. ''빈 문자열''은 길이가 0인 Σ에 대한 고유한 문자열이며, ''ε'' 또는 ''λ''로 표기된다.^[25][26]

길이 ''n''인 Σ에 대한 모든 문자열의 집합은 Σ^''n''으로 표기된다. 예를 들어, Σ = {0, 1}이면, Σ² = {00, 01, 10, 11}이다. 모든 알파벳 Σ에 대해 Σ⁰ = {ε}이다.

어떤 길이든 Σ에 대한 모든 문자열의 집합은 Σ의 클레이니 폐쇄이며, Σ^*로 표기된다. Σ^''n''의 관점에서 보면,

:$\backslash Sigma^\{*\}\; =\; \backslash bigcup\_\{n\; \backslash in\; \backslash mathbb\{N\}\; \backslash cup\; \backslash \{0\backslash \}\}\; \backslash Sigma^\{n\}$

예를 들어, Σ = {0, 1}이면, Σ^* = {ε, 0, 1, 00, 01, 10, 11, 000, 001, 010, 011, ...}이다. Σ^* 집합 자체는 가산 무한이지만, Σ^*의 각 요소는 유한한 길이의 문자열이다.

Σ에 대한 문자열의 집합(즉, Σ^*의 모든 부분 집합)을 Σ에 대한 ''형식 언어''라고 한다. 예를 들어, Σ = {0, 1}인 경우, 0의 개수가 짝수인 문자열의 집합, 즉 {ε, 1, 00, 11, 001, 010, 100, 111, 0000, 0011, 0101, 0110, 1001, 1010, 1100, 1111, ...}는 Σ에 대한 형식 언어이다.

''결합''은 Σ^*에서 중요한 이항 연산이다. Σ^*에 있는 두 문자열 ''s''와 ''t''에 대해, 이들의 결합은 ''s''의 기호 시퀀스 다음에 ''t''의 문자 시퀀스를 차례로 나열한 것으로 정의되며, ''st''로 표시한다. 예를 들어, Σ = {a, b, ..., z}이고, ''s'' = ''bear'', ''t'' = ''hug''라면, ''st'' = ''bearhug''이고 ''ts'' = ''hugbear''이다.

문자열 결합은 결합 법칙을 따르지만, 교환 법칙은 성립하지 않는 연산이다. 빈 문자열 ε는 항등원 역할을 한다; 모든 문자열 ''s''에 대해, ε''s'' = ''s''ε = ''s''이다. 따라서, 집합 Σ^*와 결합 연산은 Σ에 의해 생성된 자유 모노이드인 모노이드를 형성한다. 또한, 길이 함수는 Σ^*에서 음이 아닌 정수로의 모노이드 준동형 사상을 정의한다(즉, $L:\; \backslash Sigma^\{*\}\; \backslash mapsto\; \backslash mathbb\{N\}\; \backslash cup\; \backslash \{0\backslash \}$와 같은 함수로, $L(st)=L(s)+L(t)\backslash quad\; \backslash forall\; s,t\backslash in\backslash Sigma^*$를 만족한다).

문자열 ''s''는 ''t'' = ''usv''를 만족하는 (아마도 빈) 문자열 ''u''와 ''v''가 존재할 경우 ''t''의 ''부분 문자열'' 또는 ''요소''라고 한다. "의 부분 문자열이다"라는 이항 관계는 Σ^*에 대한 부분 순서 관계를 정의하며, 그 최소 원소는 빈 문자열이다.

문자열 ''s''가 문자열 ''t''의 접두사가 되려면 ''t'' = ''su''를 만족하는 문자열 ''u''가 존재해야 한다. 만약 ''u''가 비어 있지 않다면, ''s''는 ''t''의 ''진정한'' 접두사라고 한다. 대칭적으로, 문자열 ''s''가 문자열 ''t''의 접미사가 되려면 ''t'' = ''us''를 만족하는 문자열 ''u''가 존재해야 한다. 만약 ''u''가 비어 있지 않다면, ''s''는 ''t''의 ''진정한'' 접미사라고 한다. 접미사와 접두사는 ''t''의 부분 문자열이다. "의 접두사이다"와 "의 접미사이다" 관계는 모두 접두사 순서이다.

문자열의 반전은 동일한 기호를 갖지만 순서가 뒤바뀐 문자열이다. 예를 들어, ''s'' = abc(여기서 a, b, c는 알파벳의 기호)이면 ''s''의 반전은 cba이다. 자기 자신과 반대되는 문자열(예: ''s'' = madam)을 회문이라고 하며, 여기에는 빈 문자열과 길이가 1인 모든 문자열도 포함된다.

문자열 ''s'' = ''uv''는 ''t'' = ''vu''일 경우 ''t''의 회전이라고 한다. 예를 들어, Σ = {0, 1}이고 문자열 0011001은 0100110의 회전인데, 여기서 ''u'' = 00110이고 ''v'' = 01이다. 또 다른 예로, 문자열 abc는 abc 자체(''u''=abc, ''v''=ε), bca(''u''=bc, ''v''=a), cab(''u''=c, ''v''=ab)의 세 가지 서로 다른 회전을 갖는다.

문자열 집합에 대한 순서를 정의하는 것은 종종 유용하다. 알파벳 Σ에 전순서 (예: 사전순)가 있는 경우 Σ^*에 사전식 순서라고 하는 전순서를 정의할 수 있다. 사전식 순서는 알파벳 순서가 전순서인 경우 전순서이지만, 알파벳 순서가 전순서인 경우에도 임의의 비자명 알파벳에 대해 잘 정렬되지 않음은 아니다. 예를 들어, Σ = {0, 1}이고 0 < 1인 경우 Σ^*에 대한 사전식 순서는 ε < 0 < 00 < 000 < ... < 0001 < ... < 001 < ... < 01 < 010 < ... < 011 < 0110 < ... < 01111 < ... < 1 < 10 < 100 < ... < 101 < ... < 111 < ... < 1111 < ... < 11111 ... 와 같은 관계를 포함한다. 이러한 순서와 관련하여, 예를 들어 무한 집합 { 1, 01, 001, 0001, 00001, 000001, ... }에는 최소 원소가 없다.

잘 정렬됨을 보존하는 다른 문자열 순서에 대해서는 Shortlex를 참조하십시오.

예시 알파벳에 대한 shortlex 순서는 ε < 0 < 1 < 00 < 01 < 10 < 11 < 000 < 001 < 010 < 011 < 100 < 101 < 0110 < 111 < 0000 < 0001 < 0010 < 0011 < ... < 1111 < 00000 < 00001 ... 이다.

형식 이론에서 문자열에 대한 여러 추가 연산이 일반적으로 발생한다. 이는 문자열 연산 문서에 나와 있다.

7. 보안 문제

문자열 데이터를 처리하는 방식은 프로그램의 보안에 영향을 미칠 수 있다. 특히 문자열을 메모리에 저장하는 방식에 따라 여러 보안 취약점이 발생할 수 있다.

대표적으로 널 문자를 사용하여 문자열의 끝을 표시하는 방식(널 종료 문자열)은 종료 문자가 누락될 경우 버퍼 오버플로우 문제에 취약하다.^[11] 이는 프로그래밍 과정에서의 실수나 공격자가 의도적으로 데이터를 조작하여 발생할 수 있다. 버퍼 오버플로우는 할당된 메모리 공간을 넘어서 데이터가 기록되어 예기치 않은 동작이나 시스템 장악으로 이어질 수 있는 심각한 보안 문제이다.

문자열의 길이를 별도의 필드에 저장하는 방식 역시 안전하지 않을 수 있다. 만약 공격자가 길이 정보를 조작할 수 있다면, 프로그램은 잘못된 길이 정보를 바탕으로 메모리에 접근하게 된다. 이 경우, 프로그램 코드는 문자열 데이터가 실제로 저장된 메모리 범위를 벗어나 다른 데이터에 접근하거나 이를 변경할 위험이 있다. 따라서 이러한 방식에서는 문자열 데이터에 접근하기 전에 항상 범위 검사를 수행하여 메모리 접근이 유효한 범위 내에서 이루어지는지 확인해야 한다.

또한, 프로그램이 사용자로부터 문자열 데이터를 입력받는 경우에도 보안 문제가 발생할 수 있다. 사용자가 입력한 데이터가 예상된 형식이나 길이를 따르지 않을 수 있기 때문에, 프로그램은 입력된 문자열 데이터의 유효성 검사를 철저히 수행해야 한다. 만약 유효성 검사가 제대로 이루어지지 않으면, 공격자는 악의적인 코드를 포함한 문자열을 입력하여 코드 삽입 공격을 시도할 수 있다. 이는 프로그램의 비정상적인 동작이나 중요 정보 유출 등으로 이어질 수 있으므로, 외부 입력 데이터는 반드시 검증하고 안전하게 처리하는 것이 중요하다.

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