1.3 C++ 언어 소개    [DOC]    [SMTS]

 컴퓨터의 속도가 빨라짐에 따라 소프트웨어의 덩치도 커지게 되었고, C 언어로는 규모가 큰 프로그램을 개발할 때 프로그램의 코드를 관리하는데 어려움을 겪게 되었다. 이러한 점을 개선하기 위해서 C 언어와의 하위 호환성을 유지하면서 객체 지향 특성 (object oriented programming) 및 편의 기능들을 추가하여 1983년 즈음에 Bell 연구소의 Bjarne Stroustrup 이 C++ 언어를 개발하였다.

[그림 1.3.1] C++ 언어를 개발한 Bjarne Stroustrup

C++에서는 C 언어의 struct 자료 구조를 확장한 class라는 새로운 자료 구조를 이용하여 객체 지향 프로그래밍 방법론을 구축하였으며 이는 다른 현대적인 프로그래밍 언어들에 지대한 기여를 하였다. 이것에 영향을 받아 1991년에는 Guido B.A.가 python의 초기 버전을 발표하였으며, 1995년도에는 C++의 영향을 받은 JAVA라는 언어가 Sum Microsystem 사의 James Gosling 에 의해서 만들어졌다. 또한 2000년에는 Microsoft 가 C++과 JAVA의 장점을 취한 C#이라는 언어를 만들어 ,NET framework의 핵심 언어가 되었다. 이외에도 Javascript, PHP 등 웹프로그래밍 언어들도 C/C++의 영향을 받아서 개발되어 널리 사용되고 있다. 파이썬과 자바 그리고 자바스크립트는 현대의 컴퓨팅환경에서 가장 널리 쓰이는 프로그래밍 언어들이다.

다른 언어들에 비해서 상대적으로 오래된 역사에도 불구하고 C++은 현재까지도 중요한 비중을 차지하고 있으며 속도나 성능이 매우 중요한 임베디드 시스템 개발이나 게임 프로그래밍에 많이 사용되고 있다.  또한 마이크로콘트롤러(microcontroller)나 DSP(digital signal processor)의 프로그래밍에서는 C/C++언어가 아직도 주력으로 사용되고 있으며 특히 아두이노(arduino)와 같은 인기있는 오픈 하드웨어 플랫폼도 C++언어를 사용한다.

 전술한 바와 같이 다른 주요한 언어들이 C/C++언어의 영향을 많이 받아 설계되었으므로 C/C++언어를 익히면 다른 언어로 건너갈 때 훨씬 용이하므로 전산 관련 학과에서 프로그래밍 입문 언어로 C/C++이 많이 사용된다.

 심파이(sympy)의 행렬 객체는  Matrix이다. 이 Matrix 객체를 생성할 때는 리스트를 넘겨주면 된다. 넘겨준 리스트의 각 요소는 행렬의 행이 된다. 기본적인 사용 예는 다음과 같다.

다른 방법으로 행의 개수와 열의 개수를 명시적으로 지정해 주는 방법이 있다.

행 요소와 열 요소의 관계를 파이썬 함수로 작성하여 이것을 사용할 수도 있다.

명시적 함수뿐만 아니라 익명 함수도 사용할 수도 있다.

특수한 행렬을 생성하는 함수도 있다. eye() 함수는 항등 행렬을 생성하며, zeros() 는 영행렬을 그리고 ones()는 일행렬을 만들어 준다.

대각행렬을 생성하는 diag() 함수도 있다. 스칼라나 행렬을 인수로 주면 그것들로 대각행렬을 생성한다.

스칼라는 1x1 행렬로 간주되며 주어진 행렬들을 대각 위치에 놓는다.

 난수 행렬을 발생시킬 수도 있으며 randMatrix() 함수를 이용한다.

이 행렬의 요소는 100이하의 양의 정수로 채워진다.

[표 1] 행렬 객체의 생성 용례들

 한 가지 주지할 사항은 Matrix 객체는 mutable 하다는 것이다. 따라서 immutability 가 필요한 곳(예를 들어 딕셔너리의 키)에는 사용할 수 없다. immutable행렬이 필요하다면 ImmutableMatrix 를 이용하면 된다.

  파이썬의 수학함수를 이용하기 위해서는 math 모듈을 import해야 한다. 기본 (표준) 모듈이므로 설치 과정 없이 다음과 같이 로드할 수 있다.

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             >>> import math

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이 모듈의 수학 함수는 표준 C언어의 그것들을 구현한 것이다. 실수 연산을 수행하며 대부분의 경우 float형을 반환한다.

 복소수 연산을 위해서는 cmath 모듈을 이용해야 한다. 이것도 역시 기본 모듈이므로 별도 설치 없이 다음과 같이 로드할 수 있다.

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             >>> import cmath

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이 모듈에는 복소수 연산을 위한 다양한 함수들이 있는데 여기에 잘 정리되어 있다.

 하지만 math 모듈은 인수가 실수 (스칼라) 에 대해서만 적용이 되고 cmath 는 복소수 (스칼라) 인 경우에만 적용이 된다는 단점이 있다. 만약 행렬 연산이 필요하다면 이 두 모듈은 사용할 수 없으며 numpy 를 사용해야 한다. 이 모듈은 파이썬의 고급 연산 분야의 기본 모듈로서 벡터 혹은 행렬에 대한 요소간 연산을 지원하므로 가장 적용 범위가 넓다. 또한 python(x,y) 나 winPython 같은 패키지를 사용하면 쉽게 인스톨 없이 바로 import 하여 사용할 수 있다.

winPyhon : 과학 계산용 파이썬 패키지

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 파이랩(pylab)은 파이썬을 마치 MATLAB처럼 사용할 수 있도록 하는 목표를 가지고 개발되고 있는 모듈로서 내부적으로 numpy, scipy, 그리고 그래픽을 생성하기 위한 matplotlib 라는 모듈을 사용한다. 이 모듈은 matlab 사용자들을 python 쪽으로 옮겨오는데 편의를 주기 위해서 개발되기 시작한 것 같고 한 때 사용의 편의성 때문에 많이 사용되었던 것 같다. 특히 그래픽을 생성하는 기능은 MATLAB과 매우 흡사한데 이는 matplotlib 의 함수들은 MATLAB문법에 맞게 wrapping 해서 제공하기 때문이다.

 하지만 파이썬 커뮤니티 내부에서는 pylab은 몇 가지 이유로 사용하기를 권장지 않는 듯 하다. 가장 큰 이유는 그 안에서 사용되는 파이썬 모듈 간 구분이 잘 이루어 지지 않아 혼동을 준다는 것이다. 아래 포스트에 자세한 이유가 소개되어 있다.

 please stop using python

현재 pylab에 대한 자료가 별로 많지 않고 2013년 이후로 업데이트도 없다. 단지 하위 호환성을 일정 기간 유지하기 위해서 관련 내용을 완전히 삭제하고 있지는 않은 것 같다. 특히 수치 해석시 많이 사용되는 파이썬쉘인 ipython 을 사용할 때에는 더더욱 권장되지 않는다.

  winPython의 python 콘솔을 실행하면 pylab 이 기본적으로 import 되어서 함수들을 엄격하게 구분해서 사용하는 것이 무척 불편하다. pylab 을 사용하는 것은 파이썬 커뮤니티 안에서 권하지 않는다.

 파이썬 콘솔에서 백그라운드로 임포트되는 모듈들은 다음과 같이 'scientific'이라는 명령을 입력하면 상세한 내용을 확인할 수 있다.

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 파이썬 콘솔 기동시에 pylab을 import 하지 않으려면 다음과 같은 과정을 거쳐야 한다. 먼저 Tools > Preferences 의 Console 탭에서 Advanced settings 항목으로 들어간다.

여기서 Default PYTHONSTARTUP scrip 를 선택하면 파이썬의 기본적인 세팅으로 기동하는 것이다. 아예 아무런 모듈도 import하지 않고 시작하려면 이것을 체크하면 된다.

 과학계산 모듈을 초기에 import 하는 일은 scientific_startup.py 에 기록되어 있는데 아래 그림과 같이 pylab을 로딩하는 부분을 주석 처리하면 pylab 이 import 되는 것을 막을 수 있다.

추가적으로

              %ls (파일리스트)

              %pwd (현재 디렉토리)

              %clear

등의 명령이 사용가능함을 알 수 있다.

  컴퓨터로 프로그래밍을 하다 보면 눈이 쉽게 피로해지는데 컬러 테마를 어두운색 계열로 바꾸어 놓으면 도움이 된다. 윈파이썬의 경우 spyder를 기본 IDE로 사용하는데 spyder의 Tools > Preferences 메뉴에서 Editor, Console 텝의 옵션을 조정하면 dark theme 를 사용할 수 있다.

먼저 Editor 텝에서 다음 그림과 같이 color scheme 을 변경한다. 이것을 적용하면 프로그램 에디터의 테마가 다크테마를 적용되어 어두운 배경에 밝은 색 폰트로 변경된다.

아래 그림에서는 체크를 해제하여야 console창과 python쉘의 배경이 검은색으로 된다.

만약 ipython쉘을 사용한다면 다음과 같이 ipython탭에서 설정을 해주어야 한다.

이렇게 설정해 놓으면 눈이 훨씬 편하게 작업할 수 있다.

  자바 식별자는 길이에 제한이 없으며 '_' 뿐만 아니라 '$' 문자도 사용할 수 있다는 점이 특이하다.

2. 아두이노로부터 수신 실험

 실험을 위해서 다음과 같은 간단한 프로그램을 아두이노 우노에 다운로드 하였다. 이 프로그램은 전원이 켜지면(또는 리셋 버튼을 누르면) "Hello python." 이라는 문자열을 보낸다.

그리고 파이썬에서 Serial 객체의 인스턴스를 다음과 같이 생성한다.

이렇게 하면 ard 변수에 Serial 클래스의 인스턴스가 생성된다. 이제 이 변수를 이용해서 아두이노에서 보내는 값을 읽어들일수 있다.

아두이노 쪽에서 println()함수를 썼기 때문에 끝에 \r\n 두 개의 개행 제어 문자가 붙어서 넘어왔다.

 한 가지 주의할 것은 Serial.readlin() 함수의 반환 객체가 문자열이 아니라 bytes 라는 파이썬 객체로서 각각의 문자의 아스키코드 바이트 값의 배열이라는 점이다. 이것을 파이썬 문자열(string)로 변환하려면 bytes.decode()함수를 이용하면 된다.

이제 str 변수에 아두이노로 부터 전송된 문자열이 정확히 저장되었다. 여기서 obj[:-2] 와 같이 인덱싱을 한 것은 \r\n 두 문자를 제외하기 위한 것이다.