OSSU PL-A Section 1

Mar 18, 2023

출처 강의 Programming Languages, Part A, 워싱턴 대학교 Programming Languages, Part A, 워싱턴 대학교 보안 확인 : 외부링크
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1. 표현과 변수 바인딩(Expression and Variable Bindings)
   • 문법(syntax)
   • 의미(semantics)
   • 예시
   • 의미(semantics)
   • 함수 호출(Function calls)
2. pair와 tuple
3. List
4. 지역 변수
5. Options
6. 변경(Mutation)의 부재와 이로 인한 이득

OSSU PL-A Section 1

프로그래밍 언어를 배울 때는 다음과 같은 부분을 배우는 것이다.

• 문법 (Syntax): 어떻게 동작을 표현하는 가? (ex) int x = 3;)
• 의미 (Semantics): 해당 기능을 어떤식으로 구현하는가? (ex) x가 메모리에 저장되는 과정)
• 관용구 (Idioms): 해당 동작을 위한 표현을 어떤 식으로 접근하는가, 일종의 문법의 모음 (ex) 특정 List를 순회하기 위해 파이썬은 for 문을, Racket은 재귀를 많이 이용함.)
• 라이브러리(Libraries): 이미 지원하고 있는 코드나 특정 기능을 사용하기 위해 필수적으로 사용하는 라이브러리(ex) 파일 접근을 위한 os 라이브러리)
• 도구들(Tools): 프로그램을 구현하는데 사용되는 도구들 (ex) 컴파일러, 디버거, 대화형 도구 등)

프로그래밍을 배울 때 많은 사람들은 문법(Syntax), 라이브러리만 강조하는 경우가 많지만 정말 중요한 부분은 의미(semantics)와 관용구(idioms)다.

표현과 변수 바인딩(Expression and Variable Bindings)

프로그램은 바인딩의 나열로 이루어지며, 각 바인딩은 타입 확인 이후 평가(evaluate) 과정을 거친다.

문법(syntax)

많은 프로그래밍 언어에서 다음과 같은 방법으로 바인딩을 표현한다.

val x = e;

• val은 키워드 x는 변수명, e는 표현이며, PL에 따라 ;를 생략하기도 한다.

  의미(semantics)

  정적 환경(static environment)은 바인딩의 타입을, 동적 환경(dynamic environment)은 바인딩의 값을 저장한다.
  여기서 말하는 정적 환경은 보통 context로, 동적 환경은 Environment로 많이 칭해진다.

1. 바인딩의 타입확인과 평가(Evaluation)을 진행
   • 이전 동적 환경를 이용해 표현 e의 결과 값을 생성
   • 이전 정적 환경를 이용해 표현 e의 타입을 확인
2. 해당 타입을 새로 환경에 추가
   • x의 타입을 e의 타입 확인 결과인 t로 매핑하여 새로운 정적 환경 생성
   • ` x의 값을 e의 결과값인 v`로 매핑하여 새로운 동적 환경 생성
   • 이때 v는 더 이상 계산하지 않아도 되는 값으로 매핑 됨.

     예시

     다음과 같은 프로그램을 예시로 들어보자.
     ```sml
     val x = 1;
     val y = 2;
     val z = x + y; (* 바인딩 진행 *)

- 이전 동적 환경(`x = 1, y = 2`)를 이용해 `e(x + y)`가 평가되어 새로운 동적 환경 `(x = 1, y = 2, z = 3)`이 변경된다.
	- 이때 새로운 값 `x + y`는 더이상 계산이 필요치 않도록 `1 + 2`가 아닌 `3`으로 평가되어 저장
- 이전 정적 환경 `(x = int, y = int)`를 이용해 `int + int`가 `int`로 평가되어 새로운 정적 환경 `(x = int, y = int, z = int)`로 변경된다.

이렇게 생성된 바인딩은 수정되지 못하지만, 대신 덮어씌어질 수 있다.
따라서, `val f = z` 바인딩 이후, `val f = 4` 바인딩이 추가되면, `f`는 4가 되지만, `z`는 여전히 이전과 같다.

추가적인 예를 들어보자
- 조건 분기문
	- 문법 : `if e1 then e2 else e3` (`e1, e2, e3`는 표현)
	- 타입 확인: `e1`은 조건문에서 `bool` 타입이 들어가는 자리며, `e2`, `e3`는 서로 같은 타입 `t`(아무 타입이나 가능)이다. 추가로 정적 환경을 확인하여 타입을 확인
	- 평가: 동적 환경을 확인 결과, `e1`의 결과 값이 `true`이면 `e2`값이 동적 환경 하에 평가되어 해당 바인딩의 결과값으로 저장됨. 반대로 `false`이면 `e3`가 대상.

## 함수 바인딩
함수는 **결과를 내는 표현과 이에 사용되는 인자들**이며, 아래와 비슷하게 표현된다.
### 문법(syntax)
```sml
fun x0 (x1: t1, ..., xn: tn) = e

• 함수 바인딩 이름은 x0
• 각 인수는 x1~xn으로 매핑되며, 각 타입을 t1~tn으로 정적 환경에 매핑된다.
• 결과값 e

의미(semantics)

타입 확인

표현 e는 앞선 정적 환경과 명시된 인자들의 타입들을 통해 타입 t로 유추된다.
즉, x0 함수의 타입 t1 * ... * tn -> t로 정적환경에 매핑 된다.

• *는 SML에서 각 인자를 나누는데 사용되는 표현
  여기서 각 인자 x1,...xn의 정적 환경값 t1,...,tn은 전역 정적 환경에 저장되지 않고 해당 함수만 사용하는 지역 정적 환경에 저장된다.

  평가

  함수 바인딩의 평가는 바로 평가되지 않고 함수가 호출(called)될때 평가된다. 이를 통해 재귀 함수 등이 가능하게 된다.

  함수 호출(Function calls)

  함수 호출은 x0 (e1,...,en)의 형식으로 이루어진다.
  타입 확인의 경우,

• x0의 타입이 t1 * ... * tn -> t일 경우 전체 함수 호출의 타입은 t로 정해진다.
  평가의 경우
• 각 표현 e1,...,en이 먼저 v1,...,vn으로 평가된 후, 이 값을 통해 전체 함수 결과 e가 v로 평가된다.
• 이때 전체 함수에 평가되는 정적, 동적 환경은 어느 시기의 것일까? 함수를 정의할 때? 함수를 호출할 때? 이는 나중에 lexical scope로 배우게 된다.

pair와 tuple

여러 데이터를 같이 묶은 복합 데이터를 구현하기 위해 pair나 tuple을 지원한다.
보통 다음과 같이 바인딩 된다.

val x = (e1, ... ,en) (* x = t1*...*tn 으로 정적 환경에 매핑*)
(*표현은 x = (v1,...,vn) 처럼 나뉘어 매핑*)

내부에는 다양한 타입의 표현이 들어갈 수 있으며 tuple 또한 가능하다.

• 이때는 x = (t0 * t1)*...*tn 같이 괄호를 이용해 매핑된다.
  수가 둘인 tuple을 pair라고 한다.

사실, 함수의 인자들은 일종의 하나의 튜플로 취급된다.

List

리스트를 이용하면, 특정 수가 아닌 임의의 수의 데이터를 이용할 수 있다. 단, 튜플과 달리 하나의 타입만 들어간다.

리스트 내에 다른 리스트 또한 들어갈 수 있다.

비어있는 리스트는 []로 표현되며, a' list로 정적환경에 매핑되며, a'는 모든 타입을 의미하는 임시 값으로, 모든 값들이 리스트로 들어갈 수 있다.

값이 존재하는 리스트 [e1, ..., en]은

• [v1, ...., vn]의 형태로 동적 환경에 매핑
• 이때 e1,..., en은 전부 같은 타입이여야 하며, 이를 t0로 놓으면 정적환경에 t0 list 타입으로 매핑된다.

지역 변수

함수 내에 새로운 바인딩을 사용하면, 해당 바인딩들은 기존의 전역 환경을 이용할 수 있지만, 함수내 지역 바인딩들은 함수 내에서의 사용으로만 국한된다.

이를 통해 코드의 가독성을 늘리고, 변수명의 중복을 피할 수 있다.

Options

값이 존재하는 경우(SOME)와 존재하지 않는 경우(NONE)를 구분하여 넣을 수 있게 해주며, t option 형식으로 정적 환경에 매핑된다.
null, isSome의 함수로 NONE인지 확인 할 수 있으며,valOf 등으로 값을 가져올 수 있다.

변경(Mutation)의 부재와 이로 인한 이득

프로그래밍 언어들은 바인딩 들의 값을 변경할 수 없게 만든 경우와 변경 가능한 경우로 나뉜다.

장단점이 있지만 변경(Mutation)이 불가능하면 값에 대한 원본 값에 수정 접근 보안을 구현하기 쉽고, 공유하는 값, 참조하는 값의 변경으로 인한 예상치 못한 결과를 예방할 수 있다.

함수형 프로그래밍들은 보통 변경이 불가능하게 되어 있으며, Java와 같이 변경 가능한 경우도 존재한다.

• 그래서 자바의 경우는 값들의 참조와 복사 여부를 일일이 신경써야하지만 함수형 프로그래밍은 그렇지 않아도 된다.