[C] 다양한 연산자에 대해 알아보자

C/기초와 문법

[C] 다양한 연산자에 대해 알아보자

YounghunJo 2024. 8. 1. 21:49

🔊 해당 포스팅은 인프런의 널널한 개발자님의 독하게 시작하는 C 프로그래밍 강의를 듣고 개인적인 복습 목적 하에 작성된 글입니다. 해당 포스팅에 사용된 모든 자료는 필자가 직접 재구성하였음을 알립니다.

이번 포스팅에서는 C언어에서 사용하는 다양한 연산자에 대해 알아보도록 하자. 연산자의 종류에는 산술 연산자, 대입 연산자, 형변환 연산자, 단항 증/감 연산자, 비트 연산자, 관계/논리/조건 연산자, size of 연산자가 있다. 그리고 이 연산자들 간에는 실행되는 우선순위가 존재한다. 그리고 만약 우선순위가 같은 연산자가 존재한다면 대부분은 왼쪽에 있는 연산자를 먼저 수행하게 된다. 연산자의 우선순위에 대한 표는 다음과 같다.

1. 산술 연산자

가장 먼저 알아볼 연산자는 산술 연산자이다. 대표적인 예시로 사칙 연산자인 +(더하기), -(빼기), *(곱하기), / (나누기)가 있다. 한 가지 더 알아둘 연산자는 % 라는 산술 연산자인데 이는 나눗셈의 나머지를 출력하는 연산자이다. 예를 들어, 10 % 3 을 하게 되면 결과는 나머지인 1이 나온다.

이런 산술 연산자는 반드시 이항 연산자이다. 즉, 연산을 할 때 반드시 항이 2개 필요하다는 뜻이다. 산술 연산자 중에 나눗셈을 하는 연산자에 있어서 정수(int) 간의 나눗셈의 결과는 반드시 정수가 되며 소수점 이하는 무조건 절사가 된다. 예를 들어, 아래와 같은 소스코드를 실행하면 결과는 0.33333이 아닌 0이 나온다.

#include <stdio.h>

int main(void) {
    int x = 1, y = 3;
    printf("%d\n", x / y);
}

하지만 만약 실수(double)와 정수 간의 나눗셈이라면 결과는 실수로 나온다. 왜냐하면 실수가 정수보다 표현의 범위가 더 넓기 때문이다.

#include <stdio.h>

int main(void) {
    double x = 1.0;
    int y = 3;
    printf("%f\n", x / y);
}

다음으로 알아볼 주제는 산술연산과 형승격(Type Promotion)이다. 형승격이라 함은 데이터의 형(Type)의 표현 범위가 넓어진다는 뜻이다. 예를 들어, 아래와 같은 이항 연산의 중간 결과는 피연산자들의 표현 범위 이상이어야 한다는 것이다.

문자(char)의 크기는 1바이트(8비트)이다. 그리고 정수(int)의 크기는 4바이트(32비트) 이며, 실수(double)의 크기는 8바이트(64비트)이다. 그래서 만약 문자와 정수를 곱하게 되면 결과는 정수로 나와야 한다. 만약 결과가 문자로 나오게 되면 피연산자 중 하나인 정수보다 표현 범위가 작기 때문이다. 마찬가지로 정수와 실수를 곱하게 되면 결과는 실수로 나와야 한다.

2. 대입 연산자

다음은 대입 연산자이다. 대입 연산자는 등호(=)를 사용한다. 대입 연산자를 기준으로 왼쪽은 L-value, 오른쪽은 R-value 라고 부른다. 보통 L-value는 write 하는 동작을 의미하기 때문에 변수만 가능하다. 반면에 R-value는 read 하는 동작을 의미하기 때문에 변수 뿐만 아니라 상수도 가능하다.

3. 복합 대입 연산자

다음은 복합 대입 연산자이다. 예시로는 += , -= , *= , /= , %= 가 있다. 산술 연산자 뒤에 등호(=)를 붙인 셈이다. 복합 대입 연산자는 보통 누적 연산을 적용할 때 사용한다. 대표적인 예시 소스코드는 아래와 같다.

#include <stdio.h>

int main(void) {
    int nData = 100;
    nData += 99;
    printf("%d\n", nData);
}

4. 형변환 연산자

형변환 연산자는 항이 1개만 필요한 단항 연산자로 피연산자의 형식(ex. char, int, double, ..)을 강제로 변환할 때 사용한다. 하지만 이 연산자는 만약 표현 범위가 큰것에서 작은 것으로 변환할 때 절사되어 정보가 손실될 수 있다는 점은 유의하자. 아래는 정수를 실수로 강제 변환하는 예시이다.

#include <stdio.h>

int main(void) {
    int nData = 99;
    printf("%f", (double)nData);
}

5. 단항 증/감 연산자

단항 증/감 연산자는 숫자가 하나씩 증가하도록 하는 연산이다. 추후에 배울 반복문과 자주 같이 쓰인다. 주의할 점은 단항 증/감 연산자의 피연산자는 무조건 변수여야 한다. 그리고 전위식 표기법과 후위식 표기법이 존재하는데, 전위식 표기법은 단항 증/감 연산자의 본래 우선순위를 지키도록 하는 것이고, 후위식 표기법은 단항 증/감 연산자의 본래 우선순위를 최하위로 밀어내게 된다. 즉, 구문 구분자인 세미콜론(;)을 기준으로 가장 하위의 순위로 내려버린다.

예를 들어, 전위식, 후위식 표기법에 대한 예시코드를 살펴보자.

#include <stdio.h>

int main(void) {
    int x = 0, nResult = 0;
    ++x;
    x++;

    nResult = ++x;
    printf("%d %d\n", nResult, x); // 3 3
    nResult = x--;
    printf("%d %d\n", nResult, x); // 3 2
}

마지막 후위식 표기법을 적용한 코드의 결과를 보면 3 2로 nResult 값이 2가 아닌 3으로 나오게 되었다. 이유는 후위식 표기법으로 인해 대입 연산자(=)가 더 우선순위가 높아 먼저 적용되었기 때문이다. 즉, nResult에 3이 할당되는게 먼저 수행되고 난 다음에야 후위식 표기법이 수행되기 때문이다. 그래서 nResult에는 후위식 표기로 인한 숫자 1이 뺄셈되는 게 적용되지 않은 것이다.

6. 비트 연산자

다음은 비트(bit) 연산자이다. 비트 연산자는 자료(데이터)를 비트 단위로 논리식을 수행하는 연산이다. 보통 자료를 2진수로 변환해 판단한다. 비트 연산자의 예시로는 AND, OR, NOT, XOR, Shift left, Shift right 연산이 있다. 각 연산자에 대응되는 기호는 아래와 같다.

비트 연산자	연산자 기호
AND	&
OR	\|
NOT	~
XOR	^
Shift Left	<<
Shift Right	>>

위 연산에서 Shift Left는 곱셈 연산을 의미하고, Shift Right는 나눗셈을 의미한다. Shift Left 연산에 대한 예시코드는 아래와 같다.

#include <stdio.h>

int main() {
    int x = 10;
    // 1은 2^1을 의미함. << 1 은 * 2^1을 의미
    printf("결과: %d\n", x << 1);  // 20
    printf("결과: %d\n", x << 3);  // 80
    return 0;
}

위 소스코드 속 << 1 에서 1은 2의 1승을 의미한다. 그리고 << 는 곱셈을 의미한다. 따라서 << 1 은 * $2^1$ 을 의미한다. Shift Right에 대한 예시코드는 아래와 같다.

#include <stdio.h>

int main() {
    int x = 10;

    printf("결과: %d\n", x >> 1);  // 5
    printf("결과: %d\n", x >> 2);  // 2
    return 0;
}

참고로 x >> 2 연산 결과가 2로 나오는 것은 정수와 정수간의 나눗셈을 했기 때문에 소수점 자리가 절삭되기 때문임을 알아두자.

그리고 비트 마스크 연산이라는 것도 존재한다. AND 연산을 활용하는 것인데, 데이터에서 특정 영역의 값을 모두 0으로 초기화하는 연산이다. AND 연산에서는 피연산자 중 하나라도 0이면 0이되는 특징을 이용한다.

다음은 엔디안(Endian) 개념에 대해서 배워보도록 하자. 일단 아래의 소스코드를 실행시키는데, break point를 아래처럼 두고 디버그 모드로 실행시켜보도록 하자.

16진수로 나타낸 12345678 값을 콘솔에 출력하는 간단한 코드다. 디버그 모드를 실행한 뒤 메모리를 보는 화면에 nData 변수에 주소 연산자(&)를 찍어서 nData 변수의 메모리 주소로 이동해보자.

위 사진의 오른쪽 아래 화면이 메모리 화면이다. 참고로 메모리 화면은 모두 16진수로 나타내진다. 그래서 위 메모리 주소에서 2자리가 16진수 1개를 의미하고, 이게 1바이트를 의미한다. 그래서 정수(int)는 4바이트(32bit)이기 때문에 메모리 주소의 2자리가 총 4개임을 알 수 있다.

이제 메모리 화면의 초록색 배경의 부분을 보자. 우리는 nData를 정수로 선언했다. 그래서 초록색 배경을 보면 총 4바이트 즉, 32bit 크기를 나타냄을 알 수 있다. 가장 처음에 정수 nData를 선언하고 16진수 값을 할당하지는 않았으므로 현재 nData 변수의 메모리에는 임의의 값이 들어있음을 볼 수 있다. 그리고 다음 break point로 한 스텝만 실행시켜보자.

초록색이였던 부분이 빨간색으로 변했다. 그런데 값이 78 56 34 12로 변한 것을 볼 수 있다. 이것은 우리가 소스코드에서 nData 변수에 정의한 0x12345678 값을 의미한다. 그런데 해당 값을 보니 메모리에 12 34 56 78 순서로 담겨있는 것이 아니라, 반대로 78 56 34 12로 담겨있는 것을 볼 수 있다.

데이터를 읽어들이는 방식을 엔디안이라고 한다. 이 때, 메모리 주소가 큰 것에서 작은 방향으로 읽어들인다면 즉, 78 56 34 12 순서로 있다면 Little 엔디안 방식, 반면에 화면처럼 12 34 56 78 순서로 되어 있다면 Big 엔디안 방식이라고 한다. 이는 사용하는 CPU 종류에 따라 달라지는데, Intel사의 CPU 프로세서나 필자의 노트북 맥북 M2 pro의 ARM 프로세서는 화면에서 보는 것처럼 Little 엔디안 방식을 따르고 있다.

참고로 문자열의 경우는 엔디안 방식 유형에 상관없이 모두 Big 엔디만 방식처럼 읽어들인다.

7. size of 연산자

연산자 중에 특이하게 size of 연산자라는 게 존재한다. 이 size of 연산자는 어떤 자료형에 대해서 메모리 크기(ex. N바이트)를 반환하는 연산자이다. 그런데 특이한 점은 다른 연산자들과 다르게 컴파일 타임의 연산자라는 것이다. 컴파일 타임의 연산자가 무엇인지 이해하기 위해서는 저번 포스팅에서 살펴본 C언어에서 중요한 3가지 시점에 해답이 있다. 아래 그림을 보자.

컴파일 타임 연산자는 말 그대로 컴파일 타임에 실행되는 연산자이다. 다시 말해 CPU를 사용하지 않는 연산자이다. 대표적으로 size of 연산자이다. 런타임 연산자는 런타임에 실행되는 연산자이다. 6번 목차까지 배워온 연산자들이 대표적인 런타임 연산자이다. 그러면 이 2개 간의 차이점이 무엇일까? 가장 큰 차이점은 컴파일 타임 연산자는 컴파일 타임에 최초로 1번만 실행되고, 그 이후에 실행되지 않는다. 반면 런타임 연산자는 매번 코드가 실행될 때마다 실행된다는 것이다. 이런 특징으로 인해 size of 연산자와 같은 컴파일 타임 연산자는 C언어 소스코드에 아무리 많이 작성되어도 컴파일 타임에 1번만 실행되고 끝나기 때문에 런타임 즉, 코드 실행 속도에 영향을 미치지 않게 된다.

8. 관계 연산자

다음은 관계 연산자이다. 예시로 > < == !=같은 연산자가 있다. 이 관계 연산자의 결과는 근본적으로 두 피연산자의 값을 뺄셈해서 결과가 true인지 false 인지를 기반으로 결정된다. 예를 들어, 만약 a > b 가 있다라고 하면, a - b를 해서 양수면 true, 음수면 false를 기반으로 결과를 결정한다. 다른 예시로 a == b 라면, a - b를 해서 0이면 true, 0이 아니면 false를 기반으로 결과를 결정한다.

다만 상등(==), 부등(!=) 관계 연산자는 실수(double)형에 대해서는 비교가 불가능하는 점을 알아두자. 왜냐하면 실수형의 부동소수점 오차 때문이다.

9. 논리 연산자

대표적인 예시로 && || ! 가 있다. &&는 and 를, || 는 or 을, ! 는 not 을 의미한다. 이 논리 연산자도 연산자 결합성이 왼쪽(L) 에서 오른쪽(R)이기 때문에 만약 왼쪽 연산을 먼저 평가한뒤 만족하지 않으면 오른쪽에 있는 연산자는 일체 수행하지 않는다. 예를 들어, 아래 소스코드에서는 y % 100 == 0 이라는 논리 연산은 절대 수행되지 않는다.

#include <stdio.h>

int main() {
    int x = 10, y = 100;
    if (x != 10 && y % 100 == 0)
        printf("True!\n");
    else
        printf("False!\n");
}

10. 조건(3항) 연산자

C언어에는 3항 연산자라는 것이 존재한다. 이 3항 연산자는 마치 if 문처럼 조건문을 걸 수가 있다. 아래와 같은 형태로 사용할 수 있다.

#include <stdio.h>

int main() {
    int nAge = 0;
    int res = 0;
    printf("당신의 나이를 입력하세요: ");
    scanf("%d", &nAge);

    res = (nAge == 29) ? 1 : 0;
    printf("결과:%d\n", res);
}

? 라는 연산자 앞에 조건식을 쓰고, 그 조건식이 참이면 ?라는 연산자 뒤의 항 자리가, 거짓이면 콜론(:) 뒤의 항 자리로 결정된다. 참고로 항 자리에는 식을 갖다 쓸 수도 있다. 아래처럼 말이다.

#include <stdio.h>

int main() {
    int nAge = 0;
    int res = 0;
    printf("당신의 나이를 입력하세요: ");
    scanf("%d", &nAge);

    res = (nAge == 29) ? ++res : --res;
    printf("결과:%d\n", res);
}