변수 (컴퓨터 과학)

3. 수명

변수의 수명(lifetime^영어) 또는 존속 기간은 프로그램 실행 중에 변수가 메모리에 할당되어 유효한 값을 가지는 기간을 의미한다.^[13] 변수의 스코프가 프로그램 텍스트에서 변수 이름이 유효한 범위를 나타내는 것과 달리, 수명은 프로그램 실행 시간 동안 변수가 실제로 존재하는 기간을 나타낸다. 변수의 수명은 해당 변수의 저장 위치(메모리)와 관련된 속성이다.

변수의 수명은 메모리의 확보 및 해제와 밀접한 관련이 있다. 변수가 수명 내에 있을 때, 해당 변수는 메모리 공간을 차지하고 값을 저장하며 접근할 수 있다.^[14] 수명이 끝나면 변수가 사용하던 메모리 공간은 다른 용도로 사용될 수 있도록 해제된다.

• 자동 변수 (스택-동적 변수): 일반적으로 함수나 코드 블록이 실행될 때 생성되고, 해당 함수나 블록이 종료되면 자동으로 소멸한다. 수명이 끝나면 메모리가 즉시 회수된다. 예를 들어 C나 C++의 함수 내 지역 변수(static 키워드 없이 선언된)가 이에 해당한다.
• 정적 변수: 프로그램이 시작될 때 메모리에 할당되어 프로그램이 종료될 때까지 계속 유지된다. 전역 변수나 함수 내부에 static 키워드로 선언된 변수가 대표적이다.

4. 형 (타이핑)

정적으로 타입이 지정된 언어인 C, C++, Java 또는 C#에서는 변수가 '타입(type)'을 가지며, 이는 특정 종류의 값만 저장할 수 있음을 의미한다. 예를 들어, "정수" 타입의 변수에는 텍스트 값을 저장할 수 없다.^[5] 대부분의 정적 타입 프로그래밍 언어에서는 변수를 선언할 때 이름뿐만 아니라 자료형도 지정해야 한다. 이를 통해 각 변수가 처리할 수 있는 데이터의 종류를 제한하고, 프로그램의 타입 안전성(type safety)을 보장할 수 있다. 데이터에 수행할 수 있는 처리는 일반적으로 데이터 타입에 따라 다르므로, 데이터 타입을 엄격하게 검사하는 것은 잘못된 프로그램 작성을 방지하는 데 도움이 된다.

반면, 동적으로 타입이 지정된 언어인 파이썬에서는 변수의 타입이 값에 의해 추론되며, 값에 따라 변경될 수 있다. Common Lisp에서는 두 상황이 동시에 존재한다. 변수는 컴파일 시간에 존재하는 타입(선언되지 않은 경우 'T', 즉 보편적인 상위 타입으로 간주됨)을 가지며, 값 또한 런타임에 검사하고 조회할 수 있는 타입을 가진다.

변수에 타입을 지정하는 것은 컴파일 타임에 다형성을 해결하는 데 사용될 수도 있다. 그러나 이는 변수에 허용된 상위 타입이 아닌 값의 타입을 기반으로 호출을 해결하는 객체 지향 함수 호출(C++에서는 ''가상 함수''라고 함)에 사용되는 다형성과는 다르다.

변수는 주로 정수나 리터럴 문자열과 같은 간단한 데이터를 저장하지만, 일부 프로그래밍 언어에서는 변수가 다른 데이터 타입의 값도 저장할 수 있도록 허용한다. 이러한 언어는 함수가 매개변수 다형성을 갖도록 만들 수도 있다. 이러한 함수는 변수처럼 작동하여 여러 타입의 데이터를 나타낸다. 예를 들어, 'length'라는 함수는 목록의 길이를 결정할 수 있는데, 이 함수는 목록 요소의 수와 요소의 타입이 무관하기 때문에 형식 시그니처에 타입 변수를 포함하여 매개변수 다형성을 가질 수 있다.

많은 정적 타입 프로그래밍 언어에는 프로그래머가 타입을 명시하지 않아도 언어 처리 시스템(컴파일러)이 타입 시스템에 기반하여 문맥으로부터 타입을 자동으로 추론하는 타입 추론 기능이 있다. 타입 추론을 지원하는 언어에서는 변수 선언 시 초기화 식(우변 값)으로부터 타입을 추론하여 타입 이름의 기재를 생략할 수도 있다. 단, 타입 추론에 의해 결정된 타입은 불변이며, 재할당에 의해 변수가 나타내는 값의 타입이 바뀌지는 않는다. 함수형 프로그래밍 언어는 기본적으로 타입 추론을 지원하며, 기존의 절차적 프로그래밍 언어(객체 지향 언어 포함)에도 타입 추론 기능이 도입되는 경우가 많다.

5. 선언, 대입, 참조

일반적으로 프로그램에서 변수를 다루는 주요 조작은 선언, 대입, 참조의 세 가지이다. 프로그래밍 언어에 따라 변수의 취급 방식이 다소 다르므로 여기서는 일반적인 사항에 한정하여 설명한다.

프로그램 내에서 어떤 이름의 변수를 사용할 것인지를 프로그래밍 언어의 문법에 따라 명확히 나타내는 것을 변수의 선언이라고 한다.

대부분의 정적 타입 프로그래밍 언어에서는 변수를 선언할 때 그 이름뿐만 아니라 그 데이터 타입도 지정해야 한다. 이를 통해 각 변수가 처리할 수 있는 데이터의 종류를 제한하여 프로그램의 타입 안전성을 보장할 수 있다. 데이터에 대해 수행할 수 있는 처리는 데이터 타입에 따라 다르므로, 데이터 타입을 엄격하게 검사하는 것은 잘못된 프로그램을 작성하는 것을 방지하는 데 도움이 된다.

반면, 동적 프로그래밍 언어에서는 통상적으로 동적 타입이 이루어지며, 별도의 선언 없이 변수를 사용할 수 있는 경우가 많다.

많은 정적 타입 프로그래밍 언어에서는 프로그래머가 타입을 명시하지 않아도, 언어 처리 시스템(컴파일러)이 타입 시스템에 기초하여 자동으로 문맥으로부터 타입을 추론하는 기능을 제공하는데, 이를 타입 추론이라고 부른다. 타입 추론을 지원하는 언어에서는 변수 선언 시 초기화 식(우변값)으로부터 타입을 추론하여, 타입 명칭의 기재를 생략할 수도 있다. 단, 동적 타입과는 달리, 타입 추론에 의해 결정된 타입은 불변이며, 재할당에 의해 변수가 나타내는 값의 타입이 바뀌는 일은 없다. 함수형 프로그래밍 언어는 표준적으로 타입 추론을 지원하며, 기존의 절차적 프로그래밍 언어(객체 지향 언어 포함)에도 타입 추론 기능이 도입되는 경우가 많다.

선언된 변수에 실제로 데이터를 연결하는 것을 대입이라고 한다.

프로그래밍 언어에 따라 변수의 선언과 대입을 한 번에 수행할 수 있다. 변수를 선언하지 않고 바로 대입할 수 있는 언어도 있는데, 이는 선언되지 않은 변수에 대해 처리 시스템이 자동으로 선언을 보충해주는 것으로 생각할 수 있다. 어떤 변수에 처음으로 수행하는 대입은 특히 초기화라고 한다.

많은 절차적 프로그래밍 언어에서는 변수에 여러 번 대입할 수 있다. 이미 대입이 이루어진 변수에 다시 대입을 하면, 해당 변수와 그 전까지의 데이터와의 관계는 없어지고, 새로운 데이터와 다시 연결된다.

함수형 프로그래밍 언어에서는 하나의 변수에 한 번만 대입할 수 있는 경우가 많다. 이러한 언어에서는 선언과 초기화를 함께 수행하는 것이 일반적이며, 하나의 변수가 항상 같은 값을 갖는 것(값이 변하지 않음)이 보장된다 (참조 투명성). 함수형 프로그래밍 언어에서는 특히 이 재대입을 허용하지 않는 연결을 바인딩이라고 부른다.

변수에 대입된 데이터를 이용하는 것을 변수의 참조라고 한다.

한 번도 대입을 하지 않은, 즉 초기화하지 않은 변수를 참조하는 것은 의미가 없으며 부적절하다. 예를 들어, 초기화되지 않은 지역 변수를 참조하면, C 언어나 C++에서는 정의되지 않은 동작을 일으키고^[10], Java나 C#에서는 컴파일 에러를 일으킨다.

하지만 일부 프로그래밍 언어의 특정 변수에서는, 명시적인 초기화식이 없더라도 변수를 정의하는 단계에서 자동으로 어떠한 데이터(통상 0 또는 0에 준하는 값)가 기본값으로 변수와 연관된다. 이러한 경우에는 초기화를 명시적으로 기술하지 않아도 변수를 참조할 수 있다. 예를 들어, C/C++의 정적 기억 영역 기간을 갖는 변수나 Java/C#의 필드 등이 있다.

6. 매개변수

함수의 ''형식 매개변수''(또는 ''형식 인자'')는 변수로도 지칭된다. 예를 들어, 다음의 파이썬 코드 조각에서,



>>> def addtwo(x):

... return x + 2

...

>>> addtwo(5)

7



''x''라는 이름의 변수는 함수가 호출될 때 값을 받기 때문에 ''매개변수''이다. 정수 5는 ''x''에 값을 제공하는 ''인자''이다. 대부분의 언어에서 함수 매개변수는 지역 범위를 갖는다. ''x''라는 이 특정 변수는 ''addtwo'' 함수 내에서만 참조될 수 있다 (물론 다른 함수도 ''x''라는 변수를 가질 수 있다).

7. 메모리 할당

변수의 메모리 할당 방식과 값의 표현은 사용하는 프로그래밍 언어와 그 구현 방식에 따라 매우 다양하다. 많은 언어 구현에서는 함수가 호출될 때 생성되었다가 함수 실행이 끝나면 자동으로 메모리가 회수되는 지역 변수를 위한 공간을 스택(stack)에 할당한다.

반면, 참조(reference)는 컴파일 시점에 값의 크기가 매우 크거나 미리 알 수 없는 변수를 다룰 때 주로 사용된다. 이런 변수들은 값 자체를 직접 저장하는 대신, 힙(heap)이라는 별도의 메모리 공간에 저장된 값의 위치(주소)를 가리킨다.

힙에 할당된 메모리(객체)는 더 이상 필요하지 않을 때 반드시 회수되어야 한다. 가비지 컬렉션(garbage collection) 기능이 있는 언어들(예: C#, Java, 파이썬, Golang, Lisp)에서는 프로그램 실행 환경(런타임 환경)이 알아서 더 이상 사용되지 않는 객체를 찾아 메모리를 회수한다.

하지만 C와 같이 가비지 컬렉션 기능이 없는 언어에서는 프로그래머가 직접 메모리를 할당하고 사용 후에는 반드시 해제해야 한다. 만약 메모리를 해제하지 않으면, 프로그램이 실행되는 동안 사용 가능한 메모리가 점점 줄어들어 결국 메모리 누수로 인해 프로그램이 비정상적으로 종료될 수 있다.

변수가 동적으로 생성된 복잡한 자료 구조를 참조할 때는 상황이 더 복잡해진다. 이 경우, 변수를 통해서만 간접적으로 접근 가능한 자료 구조의 일부 요소들이 있을 수 있다. 가비지 컬렉터는 이러한 상황을 고려하여, 변수로부터 도달 가능한 메모리 영역만을 정확히 식별하고 회수해야 한다.

공간 효율성을 높이기 위해, 변수에 필요한 메모리 공간은 해당 변수가 처음 사용될 때 할당하고 더 이상 필요하지 않을 때 바로 해제하는 방식을 사용하기도 한다.

8. 명명 규칙

수학에서 변수를 한 글자로 표현하는 것과 달리, 프로그래밍에서는 변수나 상수에 보통 여러 글자로 된 이름을 사용한다. 예를 들어 'COST'나 'total'처럼 쓴다. 'i', 'j', 'k'와 같은 한 글자 이름은 주로 배열 인덱스 같은 보조 변수에만 사용된다.

변수 이름을 짓는 데에는 몇 가지 규칙이 있다. 이는 프로그래밍 언어 자체에서 정한 문법 규칙으로, 어떤 이름이 유효한지를 결정한다. 거의 모든 언어에서 변수 이름은 숫자로 시작할 수 없고, 공백을 포함할 수 없다. 구두점 사용 가능 여부는 언어마다 다른데, 많은 언어에서는 밑줄('_')만 허용하고 다른 구두점은 금지한다. 어떤 언어에서는 변수의 데이터 유형이나 사용 범위를 나타내기 위해 시길(기호나 구두점)을 이름 앞에 붙이기도 한다.

변수 이름의 대소문자 구분 여부도 언어마다 다르다. 어떤 언어는 특정 대상을 명명할 때 정해진 대소문자 규칙을 따라야 하기도 한다.^[6] 대부분의 최신 프로그래밍 언어는 대소문자를 구분하지만, 오래된 언어 중에는 그렇지 않은 경우도 있다. 또한, 특정 형태의 변수 이름은 언어 내부적으로 사용하기 위해 예약되어 있기도 하다. 예를 들어, 많은 언어에서 밑줄 두 개("__")로 시작하는 이름이 여기에 해당한다.

하지만 언어가 정한 기본적인 제약을 제외하면, 변수 이름은 주로 스타일에 관한 문제이다. 컴퓨터가 프로그램을 실행하는 기계어 수준에서는 변수 이름이 사용되지 않으므로, 어떤 이름을 쓰든 컴퓨터 자체에는 중요하지 않다. 따라서 변수 이름은 프로그래머가 프로그램을 더 쉽게 작성하고 이해하도록 돕는 도구일 뿐이다. 잘못 지은 이름은 오히려 코드를 이해하기 어렵게 만들 수 있으므로, 변수의 역할을 명확히 드러내는 이름을 사용하는 것이 좋다.^[7][8]

프로그래머들은 종종 변수 이름을 짓는 규칙이나 명명 체계를 담은 코드 스타일 가이드라인을 만들어 따른다. 이름이 짧으면 입력하기는 편하지만, 그 의미를 파악하기는 어렵다. 반면 이름이 길면 프로그램을 읽고 변수의 목적을 이해하기는 쉽지만, 너무 길면 오히려 코드를 복잡하게 만들 수도 있다.

참조

_[1] 서적 "[[Compilers: Principles, Techniques, and Tools]]" 1986
_[2] 서적 The Art of Computer Programming Addison-Wesley 1997
_[3] 웹사이트 Programming with variables https://www.khanacad[...] 2020-03-23
_[4] 웹사이트 Scratch for Budding Coders https://cs.harvard.e[...] Harvard 2020-03-23
_[5] 웹사이트 Static typing - MDN Web Docs Glossary: Definitions of Web-related terms https://developer.mo[...] 2024-05-06
_[6] 문서
_[7] 웹사이트 How Not To Pick Variables http://www.dotcadot.[...] 2012-07-11
_[8] citation To hell with "meaningful identifiers"! http://www.cs.utexas[...]
_[9] 서적 bit 単語帳 共立出版 1990-08-15
_[10] 웹사이트 EXP33-C. 初期化されていないメモリからの読み込みを行わない https://www.jpcert.o[...]
_[11] 문서
_[12] 웹사이트 https://www.cs.cmu.e[...]
_[13] 인용
_[14] 인용
_[15] 인용
_[16] 문서
_[17] 웹사이트 3. Scope and Extent | Common Lisp the Language, 2nd Edition https://www.cs.cmu.e[...]
_[18] 문서
_[19] 웹사이트 記憶域クラス指定子 (C) - cppreference.com https://ja.cpprefere[...]
_[20] 웹사이트 記憶域クラス指定子 (C++) - cppreference.com https://ja.cpprefere[...]
_[21] 웹사이트 C23 - cppreference.com https://en.cpprefere[...]
_[22] 문서