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콘셉트 (제네릭 프로그래밍)

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목차

1. 개요

콘셉트는 프로그래밍 언어에서 템플릿 인자로 사용되는 특정 타입의 요구 사항을 정의하는 데 사용되는 기능이다. C++98 표준에서 처음 사용되었으며, C++20 표준에서 정식으로 채택되었다. C#, 자바, 하스켈, 님 등 다른 프로그래밍 언어에서도 유사한 기능을 구현하고 있다. 콘셉트는 타입이 특정 연산이나 속성을 지원하는지 여부를 지정하여 제네릭 프로그래밍의 유연성을 높이는 데 기여한다.

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콘셉트 (제네릭 프로그래밍)
개념
개요
정의제네릭 프로그래밍에서, 개념은 형식 매개변수가 만족해야 하는 요구 사항(requirement)의 추상화된 표현임.
설명개념은 컴파일 시에 형식이 올바르게 사용되었는지 검사하는 데 사용될 수 있음.
역사C++ 표준에 개념이 추가되려고 했으나 C++11 표준에는 포함되지 않았음. C++20 표준에 개념이 추가됨.
상세 내용
요구 사항 (Requirements)개념은 형식 매개변수가 만족해야 하는 요구 사항의 집합을 정의함. 이러한 요구 사항은 연산, 형식, 또는 다른 개념의 존재 여부일 수 있음.
형식 매개변수 (Type Parameters)개념은 하나 이상의 형식 매개변수를 가질 수 있으며, 각 매개변수는 특정 형식을 나타냄.
만족 (Satisfaction)형식이 개념의 요구 사항을 만족하면, 해당 형식은 해당 개념을 "만족"한다고 말함.
컴파일 시간 검사 (Compile-Time Checking)컴파일 시간 검사를 통해 형식이 올바르게 사용되었는지 확인할 수 있음. 개념은 컴파일러가 제네릭 코드를 인스턴스화할 때 형식 매개변수가 해당 요구 사항을 만족하는지 확인함.
오류 메시지 (Error Messages)개념은 형식 요구 사항이 충족되지 않을 때 더 나은 오류 메시지를 제공할 수 있음. 이를 통해 개발자는 문제를 더 쉽게 진단하고 해결할 수 있음.
C++에서의 개념
구문 (Syntax)C++20에서 개념은 `template concept bool ConceptName = expression;` 형식으로 정의됨.
사용 예시 (Example)| `template concept Integral = std::is_integral::value;`
| 이 예제에서 `Integral`은 정수 형식이어야 함을 요구하는 개념임.
장점 (Advantages)코드 가독성 향상
컴파일 시간 오류 검사 강화
더 나은 오류 메시지 제공
제약 조건 (Constraints)개념은 템플릿 매개변수에 제약 조건을 추가하는 데 사용됨. 이를 통해 템플릿은 특정 형식만 허용하도록 제한할 수 있음.
다른 언어에서의 개념
유사 기능 (Similar Features)하스켈의 형식 클래스 (Type Classes)
러스트의 트레잇 (Traits)
스칼라의 타입 클래스 (Type Classes)
관련 용어
제네릭 프로그래밍 (Generic Programming)일반적인 알고리즘과 데이터 구조를 특정 형식에 얽매이지 않고 작성하는 프로그래밍 패러다임.
템플릿 (Templates)C++에서 제네릭 코드를 작성하는 데 사용되는 기능.
형식 이론 (Type Theory)프로그래밍 언어의 형식 시스템을 연구하는 학문.

2. 프로그래밍 언어에서의 사용

콘셉트는 1998년 STL에서 처음 사용되었으며, STL의 주요 설계자인 알렉산더 스테파노브에 의해 널리 알려졌다.[10][11]

; C++

C++98 표준에서 콘셉트는 템플릿 인자로 사용되는 특정 타입의 요구사항을 기술하는 단순한 기능만 했다.[10][11] 이는 언어에 명시적으로 포함되지 않았으며, 해당 타입의 객체에 적용할 연산, 그리고 작동할 것이라 기대되는 것에 의해서만 표현되었다.[2][3] C++11에 콘셉트를 언어의 기능으로 포함하자는 제안이 있었으나, 아직 불완전하다는 이유로 거부되었다. C++20 표준에서 콘셉트가 정식으로 채택되었다. 콘셉트는 구조적 타이핑의 한 예시이다.

콘셉트는 STL에서 템플릿을 광범위하게 사용하기 시작하면서 1998년 초 부터 사용되었다. '개념(concept)'이라는 용어는 STL의 주요 설계자인 알렉산더 스테파노프가 만들고 널리 알렸다.[1][2][3]

; C# 및 자바

C#과 자바의 제네릭은 C++의 템플릿과 유사하며, 여기서 콘셉트의 역할은 인터페이스가 수행한다.[10][11] 하지만 콘셉트와 인터페이스 사이에는 중요한 차이점이 있다. 템플릿 인자가 특정 인터페이스를 만족해야만 한다면, 해당 인터페이스를 명시적으로 구현한 클래스만이 템플릿 인자로 사용될 수 있다. 콘셉트는 좀 더 유연하게 사용될 수 있는데, 그 이유는 콘셉트를 만족시키는 방법이 두 가지가 있기 때문이다.


  • 콘셉트 맵을 사용하여, 조건을 만족한다고 명시적으로 정의하기. (인터페이스와는 다르게, 타입 자체에 대하여 정의됨.)
  • "자동 콘셉트"가 되도록 암묵적으로 정의하기. 이 방법은 내장 타입과 대비되지 않은 타입에 대하여 사용될 수 있다.[4]


C# 언어에는 사용된 형식이 정의된 인터페이스를 명시적으로 구현할 필요가 없는 몇 가지 구조가 있으며, 관련 패턴과 일치하기만 하면 된다.[4] 예를 들어, `foreach` 반복 문은 반복되는 객체가 적절한 `GetEnumerator` 메서드를 구현하는 한 어떤 형식이든 허용한다.[4]

; 하스켈

하스켈에서는 콘셉트와 매우 유사한 기능인 타입 클래스를 구현하였다.[6]

; 기타 언어

님 프로그래밍 언어는 임의의 컴파일 시간 부울 술어의 집합으로 콘셉트를 구현한다.[6]

2. 1. C++

C++98 표준에서 콘셉트는 템플릿 인자로 사용되는 특정 타입의 요구사항을 기술하는 단순한 기능만 했다.[10][11] 이는 언어에 명시적으로 포함되지 않았으며, 해당 타입의 객체에 적용할 연산, 그리고 작동할 것이라 기대되는 것에 의해서만 표현되었다.[2][3] C++11에 콘셉트를 언어의 기능으로 포함하자는 제안이 있었으나, 아직 불완전하다는 이유로 거부되었다. C++20 표준에서 콘셉트가 정식으로 채택되었다. 콘셉트는 구조적 타이핑의 한 예시이다.

콘셉트는 STL에서 템플릿을 광범위하게 사용하기 시작하면서 1998년 초 부터 사용되었다. '개념(concept)'이라는 용어는 STL의 주요 설계자인 알렉산더 스테파노프가 만들고 널리 알렸다.[1][2][3]

자바와 C#의 제네릭은 C++의 템플릿과 몇 가지 유사점을 가지고 있으며, 여기서 개념의 역할은 인터페이스가 수행한다. 그러나 템플릿 매개변수가 특정 인터페이스를 구현해야 할 때 일치하는 형식은 해당 인터페이스를 (명시적으로) 구현하는 클래스만 가능하다는 중요한 차이점이 있다. 이것을 명목적 타이핑이라고 한다. 콘셉트는 좀 더 유연하게 사용될 수 있는데, 그 이유는 콘셉트를 만족시키는 방법이 두 가지가 있기 때문이다.

  • 콘셉트 맵을 사용하여, 조건을 만족한다고 명시적으로 정의하기. (인터페이스와는 다르게, 타입 자체에 대하여 정의됨.)
  • "자동 콘셉트"가 되도록 암묵적으로 정의하기. 이 방법은 내장 타입과 대비되지 않은 타입에 대하여 사용될 수 있다.

2. 2. C# 및 자바

C#과 자바의 제네릭은 C++의 템플릿과 유사하며, 여기서 콘셉트의 역할은 인터페이스가 수행한다.[10][11] 하지만 콘셉트와 인터페이스 사이에는 중요한 차이점이 있다. 템플릿 인자가 특정 인터페이스를 만족해야만 한다면, 해당 인터페이스를 명시적으로 구현한 클래스만이 템플릿 인자로 사용될 수 있다. 콘셉트는 좀 더 유연하게 사용될 수 있는데, 그 이유는 콘셉트를 만족시키는 방법이 두 가지가 있기 때문이다.

  • 콘셉트 맵을 사용하여, 조건을 만족한다고 명시적으로 정의하기. (인터페이스와는 다르게, 타입 자체에 대하여 정의됨.)
  • "자동 콘셉트"가 되도록 암묵적으로 정의하기. 이 방법은 내장 타입과 대비되지 않은 타입에 대하여 사용될 수 있다.[4]


C# 언어에는 사용된 형식이 정의된 인터페이스를 명시적으로 구현할 필요가 없는 몇 가지 구조가 있으며, 관련 패턴과 일치하기만 하면 된다.[4] 예를 들어, `foreach` 반복 문은 반복되는 객체가 적절한 `GetEnumerator` 메서드를 구현하는 한 어떤 형식이든 허용한다.[4]

2. 3. 하스켈

하스켈에서는 콘셉트와 매우 유사한 기능인 타입 클래스를 구현하였다.[6]

2. 4. 기타 언어

님 프로그래밍 언어는 임의의 컴파일 시간 부울 술어의 집합으로 콘셉트를 구현한다.[6]

3. 예시

어떤 타입 `I`가 Trivial Iterator 콘셉트를 만족하고, `i`의 타입이 `I`라면, 다음은 유효한 표현식이다.[12]


  • `I i` 기본 생성자
  • `*i` 어떤 타입 `T`로 변환 가능해야만 함
  • `i->m`는 유효하다. 만약 `(*i).m`가 유효하다면.


`I` 타입이 Trivial Iterator 콘셉트를 만족하고, `i`가 `I` 타입의 객체라면, 다음 표현식들이 유효해야 한다.[12][9]

  • `I i`: 기본 생성자
  • `*i`: 어떤 타입 `T`로 변환 가능
  • `i->m`: `(*i).m`이 유효한 경우 유효


전체 순서 콘셉트는 `<` 연산자의 의미를 설명한다.[7][8]

어떤 타입이 `<` 연산자를 이진 술어로 사용하고 다음 속성을 만족하면 전체 순서가 지정된다.[7][8]

  • 반사 방지: 모든 값 `a`에 대해 `!(a < a)`이다.
  • 전이성: `a < b`이고 `b < c`이면 `a < c`이다.
  • 반대칭성: `a < b`이면 `!(b < a)`이다.
  • 전체성: `a != b`이면 `a < b` 또는 `b < a`이다.


많은 알고리즘이 이러한 속성에 의존하여 제대로 작동한다. 예를 들어 `min` 함수는 전체 순서가 지정된 유형에 안전하게 정의할 수 있다.

3. 1. 전체 순서 (Total Ordering)

전체 순서 콘셉트는 `<` 연산자의 의미를 설명한다.[7][8]

어떤 타입이 `<` 연산자를 이진 술어로 사용하고 다음 속성을 만족하면 전체 순서가 지정된다.[7][8]

  • 반사 방지: 모든 값 `a`에 대해 `!(a < a)`이다.
  • 전이성: `a < b`이고 `b < c`이면 `a < c`이다.
  • 반대칭성: `a < b`이면 `!(b < a)`이다.
  • 전체성: `a != b`이면 `a < b` 또는 `b < a`이다.


많은 알고리즘이 이러한 속성에 의존하여 제대로 작동한다. 예를 들어 `min` 함수는 전체 순서가 지정된 유형에 안전하게 정의할 수 있다.

3. 2. 반복자 (Iterator)

`I` 타입이 Trivial Iterator 콘셉트를 만족하고, `i`가 `I` 타입의 객체라면, 다음 표현식들이 유효해야 한다.[12][9]

  • `I i`: 기본 생성자
  • `*i`: 어떤 타입 `T`로 변환 가능
  • `i->m`: `(*i).m`이 유효한 경우 유효

참조

[1] 서적 Generic programming and the STL: using and extending the C++ Standard Template Library 1998
[2] 웹사이트 a bit of background for concepts and C++17—Bjarne Stroustrup https://isocpp.org/b[...] 2016-02-26
[3] 웹사이트 Alex Stepanov https://isocpp.org/b[...] 2016-01-21
[4] 문서 'C# 6.0 draft specification, The foreach statement' https://docs.microso[...]
[5] 문서 'C# 6.0 draft specification, The using statement' https://docs.microso[...]
[6] 웹사이트 Nim Experimental Features https://nim-lang.org[...] 2023-06-19
[7] 서적 Elements of Programming Addison-Wesley Professional 2009
[8] 웹사이트 Total Orderings - Efficient Programming with Components https://www.jmeiners[...]
[9] 웹사이트 Trivial Iterator http://www.martinbro[...]
[10] 웹사이트 a bit of background for concepts and C++17—Bjarne Stroustrup https://isocpp.org/b[...] 2016-02-26
[11] 웹사이트 Alex Stepanov https://isocpp.org/b[...] 2016-01-21
[12] 웹사이트 Trivial Iterator http://www.sgi.com/t[...]


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