공용체 (컴퓨터 과학)

3. 다양한 프로그래밍 언어에서의 공용체

ALGOL 68은 태그가 붙은 공용체를 지원하며, 런타임에 구성 요소 유형을 구별하고 추출하기 위해 case 절을 사용한다. 다른 공용체를 포함하는 공용체는 모든 구성 요소 가능성의 집합으로 취급되며, 문맥상 필요할 경우 공용체는 자동으로 더 넓은 공용체로 변환된다. 공용체는 런타임에 구별할 수 있는 값을 명시적으로 포함하지 않을 수 있다.^[1]

```algol68

'''mode''' '''node''' = '''union''' ('''실수'''(real), '''정수'''(int), '''문자열'''(string), '''무효'''(void));

'''node''' n := "abc";

'''case''' n '''in'''

('''실수'''(real) r): print(("실수:", r)),

('''정수'''(int) i): print(("정수:", i)),

('''문자열'''(string) s): print(("문자열:", s)),

('''무효'''(void)): print(("무효:", "비어있음")),

'''out''' print(("?:", n))

'''esac'''

```

C/C++ 공용체 유형의 구문과 캐스팅 개념은 태그가 없는 형태이지만, ALGOL 68에서 파생되었다.^[1]

COBOL에서 공용체 데이터 항목은 `RENAMES` (66 레벨) 키워드나 `REDEFINES` 키워드를 사용하여 정의할 수 있다. `RENAMES`는 두 번째 영숫자 데이터 항목을 이전 데이터 항목과 동일한 메모리 위치에 매핑하는 방식이다. `REDEFINES`는 두 번째 항목이 첫 번째 항목 위에서 ''재정의''되어 두 항목이 메모리에서 동일한 주소를 공유하며, 따라서 동일한 기본 데이터 바이트를 공유하는 방식이다.

파스칼에서 공용체를 만드는 방법에는 변형 레코드를 사용하는 표준적인 방법과 `absolute` 키워드를 사용하여 변수를 다른 변수와 같은 메모리 위치에 할당하는 비표준적인 방법이 있다.

PL/I에서 공용체는 "cell"이라고 불렸으며,^[5] 여러 컴파일러에서 여전히 공용체의 동의어로 사용된다. 공용체 선언은 구조체 정의와 유사하며, 공용체 선언 내의 동일한 수준의 요소들은 동일한 저장 공간을 차지한다. 공용체의 요소는 구조체와 배열을 포함한 모든 데이터 유형이 될 수 있다.^[6]

Rust는 태그 유니온과 비태그 유니온을 모두 구현한다. 태그 유니온은 `enum` 키워드를 사용하여 구현되며, Rust의 열거형 변형은 튜플 또는 구조체의 형태로 추가 데이터를 포함할 수 있어 단순한 열거형이 아닌 태그 유니온을 만든다.^[7] 비태그 유니온은 `union` 키워드를 사용하여 지원하며, `#[repr(C)]` 속성이 있는 유니온은 C의 해당 유니온과 정확히 동일하게 메모리에 배치된다.^[9]

C#은 공용체 전용 구문은 없지만, `System.Runtime.InteropServices.StructLayoutAttribute`와 `System.Runtime.InteropServices.FieldOffset`를 사용하여 메모리 레이아웃을 명시적으로 지정함으로써 공용체와 유사한 동작을 구현할 수 있다.^[16]

PHP 8.0부터 공용체 형식을 지원한다.^[11] 값은 암묵적으로 형식으로 "태그"된다.

파이썬 3.5부터 타입 힌트를 지원하며,^[12] 파이썬 3.10부터는 `|` 연산자를 사용한 공용체 타입 표현을 지원한다.^[13]

TypeScript는 공용체 형식을 지원한다.^[14] 값은 언어에 의해 암묵적으로 형식으로 "태그"되며, 기본 값의 경우 `typeof` 호출을 사용하고 복잡한 데이터 형식의 경우 `instanceof` 비교를 사용하여 검색할 수 있다.

3. 1. C/C++

4. 한국 소프트웨어 산업에서의 공용체 활용

C와 C++에서 공용체는 메모리 사용을 최적화하고 하드웨어와 직접 상호작용하는 데 유용하므로, 자원 제약이 있는 환경이나 성능이 중요한 시스템에서 활용된다. 특히, 임베디드 시스템 개발에서 장치의 메모리 사용량을 줄이고, 하드웨어 레지스터에 직접 접근하는 데 사용된다.

C++에서 공용체는 클래스(구조체 포함)의 일종으로, C의 공용체에 멤버 함수를 추가하는 등 기능을 더했다. 다만, 일반적인 클래스(구조체 포함)에 비해 다음과 같은 제약이 있다.

• 상속 기능이 없다.
• 기저 클래스가 될 수 없다.
• 공용체로부터 파생될 수 없다.
• 가상 함수를 가질 수 없다.
• 정적 멤버를 가질 수 없다.
• POD가 아닌 클래스의 객체형 멤버를 가질 수 없다.^[18]
• 참조형 멤버를 가질 수 없다.

5. 결론

C와 C++에서 공용체는 여러 데이터 멤버가 동일한 메모리 주소를 공유하는 자료형이다. 이는 서로 다른 데이터 유형으로 공통 위치에 접근하거나, 타입 펀닝을 수행하거나, 낮은 수준의 다형성을 구현하는 데 사용될 수 있다. 하지만 타입 검사가 없으므로 프로그래머는 올바른 필드 접근에 대한 책임을 져야 한다.^[18]

C 프로그래밍에서는 공용체를 사용하여 C++의 `reinterpret_cast`와 유사한 작업을 수행하는 것이 일반적이다. 이는 한 필드에 값을 할당하고 다른 필드에서 읽는 방식으로, 값의 원시 표현에 의존하는 코드에서 사용된다. 예를 들어, IEEE 표현을 사용하여 제곱근을 계산하는 방법이 있다. 그러나 이는 일반적으로 공용체를 안전하게 사용하는 방법은 아니다.

C++에서 공용체는 클래스의 일종으로, 멤버 함수를 가질 수 있지만 상속, 정적 멤버, POD가 아닌 클래스 객체형 멤버, 참조형 멤버를 가질 수 없다는 제약이 있다. 이러한 제약 중 일부는 C++11에서 완화되었다.^[19] C++에서는 무명 공용체를 정의하여 스코프를 형성하지 않고 멤버에 직접 접근할 수 있다.^[20]

C++에서 공용체가 널리 사용되지 않는 이유는 태그 정보가 없어 생성자나 소멸자를 자동으로 생성할 수 없기 때문이다. 바이트열 재해석에는 일반적으로 `reinterpret_cast`가 사용된다.

아래는 C++에서 공용체를 사용하는 예시 코드이다.

```cpp

#include

#include

// 공용체 U 정의

union U {

private:

double x;

int y;

//std::string z; // 부정: POD가 아닌 클래스는 멤버로 할 수 없음

std::string *z; // 포인터는 가능

public:

// 생성자, 소멸자 및 멤버 함수를 가질 수 있음

explicit U(double d) : x(d) { std::cout << "U(double)" << std::endl; }

explicit U(int i) : y(i) { std::cout << "U(int)" << std::endl; }

~U() { std::cout << "~U()" << std::endl; }

double getDouble() const { return x; }

int getInt() const { return y; }

};

int main(void) {

U u1(3.14), u2(22); // 생성자에 의한 공용체의 구축

std::cout << u1.getDouble() << std::endl; // 멤버 함수 호출

std::cout << u2.getInt() << std::endl;

//std::cout << u2.getDouble() << std::endl; // ※무슨 일이 일어날지 알 수 없음

// 무명 공용체

union {

int i;

char c;

};

i = 777; // 멤버는 외부에서 보임

c = 'X';

std::cout << c << std::endl;

//std::cout << i << std::endl; // ※무슨 일이 일어날지 알 수 없음

return 0;

}

참조

<sub>[1]</sub> 논문 The Development of the C Language http://www.bell-labs[...] 1993-03
<sub>[2]</sub> 웹사이트 6.63 Unnamed Structure and Union Fields https://gcc.gnu.org/[...] 2016-12-29
<sub>[3]</sub> 웹사이트 CUnionsForNamespaces https://utcc.utoront[...]
<sub>[4]</sub> 웹사이트 Common Type Attributes: transparent_union https://gcc.gnu.org/[...]
<sub>[5]</sub> 서적 IBM System/360 PL/I Language Specifications http://bitsavers.org[...] 2018-01-22
<sub>[6]</sub> 서적 Enterprise PL/I for z/OS PL/I for AIX IBM Developer for z Systems PL/I for windows Language Reference http://publibz.bould[...] 2018-01-22
<sub>[7]</sub> 웹사이트 How Rust Implements Tagged Unions - Pat Shaughnessy https://patshaughnes[...] 2023-04-25
<sub>[8]</sub> 웹사이트 Union types - The Rust Reference https://doc.rust-lan[...] 2023-04-25
<sub>[9]</sub> 웹사이트 Type layout - The Rust Reference https://doc.rust-lan[...] 2023-04-25
<sub>[10]</sub> 웹사이트 Unions - The Rust Reference https://doc.rust-lan[...] 2023-04-25
<sub>[11]</sub> 웹사이트 PHP 8.0: Union Types https://php.watch/ve[...] 2020-11-30
<sub>[12]</sub> 웹사이트 typing — Support for type hints — Python 3.9.7 documentation https://docs.python.[...] 2021-09-08
<sub>[13]</sub> 웹사이트 PEP 604 -- Allow writing union types as X {{!}} Y https://www.python.o[...] 2021-09-08
<sub>[14]</sub> 웹사이트 Handbook - Unions and Intersection Types https://www.typescri[...] 2020-11-30
<sub>[15]</sub> 문서 Microsoft Windows SDK의 에서는, 공용체를 이용한VARIANT형이 정의되어 있다.
<sub>[16]</sub> 웹사이트 공용체선언 - cppreference.com https://ja.cpprefere[...]
<sub>[17]</sub> 문서 많은 C컴파일러에서는 (C11보다 앞선 시대부터) 확장으로서 무명의 구조체 및 공용체를 서포트하고 있다.
<sub>[18]</sub> 문서 모든 공용체 맴버는 반드시 POD이지만, 공용체 자신이 POD가 된다고는 할 수 없다. 공용체는 유저 정의의 컨스트럭터등을 가질 수 있기 때문이다.
<sub>[19]</sub> 문서 공용체의 형명을 정하는 식별자(union xxx {...};의xxx)로, 서두의 설명에 있는「태그 정보」와는 별개.
<sub>[20]</sub> 문서 많은 C++컴파일러에서는 확장으로서 무명의 구조체를 서포트하고 있다.