Written by JS970
on May 30, 2023

Expression and Statement Level Control Structure

Control Flow(제어 구조)

Control flow란?

제어분과 제어문에 의해 제어되는 문장의 집합
구조화 프로그래밍에서 모든 순서도는 선택구조 와 반복구조 만으로 표현이 가능하다.(prime component)
- 구조화 프로그래밍이란?
위에서 아래로의 수행 흐름을 순차적 수행 흐름이라고 한다.
괄호, goto문, 문장 레이블 등을 통해 수행 흐름을 명시적으로 표기한다.
표현식 내에서의 수행 흐름, 문장 사이의 수행 흐름, 단위 프로그램(sub program, thread)사이의 수행 흐름이 있다.

Control flow의 종류

수식 수준의 Control flow
- Short-Circuit Evaluation
문장 수준의 Control flow
- Statement-Level Control Structure
- Goto Controversy
- Guarded Commands

Short-Circuit Evaluation

수식 수준에서의 control flow(제어 구조)

단락회로 계산

연산항 전부를 계산하지 않은 상태에서 연산식의 결과를 계산하는 것이다.
대개 논리식이나 조건 연산자에 적용된다.
```
A * (B / 13 - 1), (A >= 0) and (B < 10)
```
- 단락회로 계산을 지원할 경우 위 수식에서는 A가 0 이상일 경우 and이후로는 연산할 필요가 없다.
Pascal 은 단락회로 계산을 지원하지 않는다.
C, C++, Java, Modula-2 는 논리곱, 논리합에 대한 단락회로 계산을 지원한다.
Ada는 프로그래머가 단락회로 계산 여부를 선택할 수 있다.
단락회로를 사용함으로써 간결한 표현이 가능하다.
```
while (index <= listlen) and (list[index] <> key) do ...
```
하지만 부대효과가 있는 연산항에 대해서는 결과 예측이 힘들다는 단점이 있다.
```
(a > b) || (b++ / 3)
```
- 위 예시에서는 증감연산자의 실행 여부가 직관적이지 않다는 문제가 있다. 이는 프로그램의 결과 예측을 힘들게 한다.

대입문

변수 값을 (동적으로) 지정하는 문장이다.
= 또는 := 를 사용한다.
대입 기호가 관계 연산과 겹지정되면 혼란을 초래할 수 있다.
```
A = B = C
```
- 위 수식에서 B = C는 비교연산으로 사용되었고, A = ~에서의 =는 대입 연산으로 사용되었다.
대입문으로는 아래와 같은 구문들이 존재한다.
- 단순 대입문(BASIC, C)
```
a = a + 3;
```
- 다중 목적지(PL/I)
```
a, b = 0;
```
- 조건 목적지(C++)
```
flag ? a : b = 0;
```
  - C, Java에서는 지원하지 않는다.
  - 옛날 C언어에서는 지원했다.
- 복합 대입문(C, C++, Java, Python)
```
a += 3;
```
- 다중 대입문(Python, Lua)
```
a, b = 3, 4;
```

대입 연산식

대입 연산을 문장으로 간주하지 않고 표현식으로 간주한다.
C, C++, Java에서 이러한 방식을 채택했다.
Python에서도 walrus operator(:=)형태로 채택했다.
```
while(line := input()):
```
- 위 경우에는 괄호가 선택이다.
```
buf = (line := input())
```
- 위 경우에는 괄호가 필수이다.
대입 연산의 결과 치환된 값을 반환한다.
대입 연산식을 사용할 경우 간결한 표현을 할 수 있다는 장점이 있다.
하지만 표현식에서 부대효과가 발생한다는 단점이 있다.
```
a = b = c = 3.14
```
- a, b, c의 type에 따라 결과가 달라진다.

Statement-Level Control Structure

문장 수준의 흐름 제어로는 순차 구조, 선택 구조, 반복 구조 가 있다.

구조화 프로그래밍

프로그램 구조를 계층적으로 설계한다.
계층 구조는 프로그램 코드에 그대로 반영된다.
문장의 공간적 배치 순서가 수행 순서에 대응된다.
- Readability 보장
한 문장은 단일 목적으로만 사용해야한다.
- Readability, Debugging, 유지보수성 측면에서 유리하다.

선택문

둘 이상의 경로 중 하나를 선택할 수 있도록 하는 제어문
기본 제어 구조 중 하나이다.
아래는 선택문 유형 도식이다.
- 3 방향 선택문이 사용되는 언어로는 FORTRAN이 있다.(음, 0, 양)
- C++20에서 <=>연산자를 통해 3 방향 선택문이 구현되었다.
설계 고려 사항
- 조건식의 형태와 타입
- 선택 가능한 형태로는 어떠한 형태가 있는가?(양방향, 단방향, 3방향)
- 중첩된 선택구조의 해석 방법(dnagling else)

선택문의 중첩(dangling else)

if sum = 0 then
	if count = 0 then
		result := 0
else
	result := 1

마지막에 사용된 else 구문이 중첩된 if문과 짝을 이루는지, 상위에 있는 if문과 짝을 이루는지 구분할 규칙이 필요하다.
해결책(규칙)으로는 아래와 같은 방법이 있다.
- 근거리 우선 : 짝이 없는 가장 가까운 앞쪽 if와 짝을 이룬다.(Pascal, C, C++, Java)
- 직접 중첩 금지 : if문이 중첩되려면 복합문을 사용해야 한다.(Algol 60)
  - 복합문은 begin - end 블럭을 의미한다.
- 종결어 사용 : if의 종결어(end if, fi 등)를 사용하여 끝을 나타낸다.(FORTRAN 90, Ada, Lua)

반복문

반복 구조를 나타내기 위한 두 가지 방법으로 반복문과 재귀 호출이 있다.
반복 구조로는 아래와 같은 세 가지 구조가 있다.
- counter-controlled repetition(계수기에 따른 반복 구조) : 횟수에 따라 반복하는 for문
- condition-controlled repetition(조건에 따른 반복 구조) : while, do-while, repeat-until
  - 보통은 셋 다 지원하거나 두 가지 이상 지원하는데 특이하게 python은 while만 지원한다.
- repetion over data structure(자료 구조에 대한 반복 구조) : foreach, for-in
  - range-based for loop이다.
반복문 설계 고려 사항으로는 아래와 같은 사항이 있다.
- 제어 부분이 반복문의 어디에 위치하는가?
- break기능을 지원하는가?
  - Java의 경우 labeled break를 지원하다.(원하는 계층까지 break)

GOTO controversy

무조건 분기 GOTO에 대한 논란이다.
Dijkstra에 의해 제기된 논란이다.
- GOTO문을 사용하면 스파게티 코드가 양산되고, 이에 따라 가독성이 떨어지게 되며 결과적으로 프로그램이 엉망이 된다.
무조건 분기를 지원하지 않는 언어 : Modula-2, CLU, Euclid, Gypsy, Java
하지만 이후로 Donald Knuth는 GOTO로 인한 문제점을 만들지 않는 방법에 대해 기술하였고 Frank Rubin은 아예 Dijkstra의 GOTO에 대한 문제 제기 자체를 해롭다고 비판했다.

guarded commands

Dijkstra가 제시했다. 조건부 명령어라고도 한다.
조건을 만족할 때 해당 문장을 수행한다.
프로그램 수행 흐름에서 비결정성을 강조한다.(non-determination)
- a와 b두 정수 중 최솟값을 반환하는 함수에 대해 생각해 보자. 이 경우 a와 b가 같을 경우는 중요한 고려사항이 아니다. 따라서 코드에서는 a<=b, a>=b등으로 기술해도 아무런 상관이 없다. 이러한 경우에 대해 Dijkstra는 코드의 비결정성을 강조했다.
프로그램 증명과 깊은 관련이 있다.
- GOTO를 포함할 경우 프로그램 증명이 거의 불가능하다.
- 선택 구조와 사전 검사 반복 구조만 허용된다면 증명이 가능하다.
  - if, do만 있다면 프로그램 증명이 간단해진다.
- 조건이 붙은 병령어만 허용한다면 프로그램 증명이 용이하다.

선택 구문

if<조건> -> <문장>
[]<조건 -> <문장>
[]<조건 -> <문장>
[]<조건 -> <문장>
...
[]<조건 -> <문장>
fi

모든 조건식을 계산한다.
참인 것 중 하나를 무작위로 선택하여 수행한다.(코드의 비결정성)
참인 것이 없다면 수행 오류이다.

반복 구문

do<조건> -> 문장
[]<조건 -> <문장>
[]<조건 -> <문장>
[]<조건 -> <문장>
...
[]<조건 -> <문장>
od

모든 조건식을 계산한다.
참인 것 중 하나를 무작위로 선택하여 수행한 후 1부터 반복한다.
참이 것이 없다면 종료한다.

조건부 명령어의 예시

선택 구문

if x >= y -> max := x
[] y >= x -> max := y

반복 구문

do q1 > q2 -> temp := q1; q1 := q2; q2 := temp // swap(q1, q2)
[] q2 > q3 -> temp := q2; q2 := q3; q3 := temp // swap(q2, q3)
[] q3 > q4 -> temp := q3; q3 := q4; q4 := temp // swap(q3, q4)
od

결국 위 반복 구문의 의미는 아래의 조건을 만족할 때까지 q1, q2, q3, q4를 정렬하는 것이다. $$(q1 \leq q2)\ \wedge \ (q2 \leq q3)\ \wedge \ (q3 \leq q4)$$

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