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포인터

소개​

이 문서는 Wave 언어에서 제공하는 포인터 기능과 그 활용 방식에 대해 설명합니다. Wave는 저수준 시스템 프로그래밍을 지원하는 언어로서, 명시적인 메모리 주소 조작이 필요한 상황을 고려하여 포인터 기능을 제공합니다.

Wave의 포인터 설계는 Wave Explicit Memory Type Model을 기반으로 합니다. 이 모델은 포인터와 배열을 문법적 트릭이나 라이브러리 추상화가 아닌, 언어 차원의 명시적인 메모리 타입으로 정의하는 것을 목표로 합니다.

이러한 설계에 따라 Wave에서는 포인터를 ptr<T> 형태의 타입으로 표현하며, 이는 특정 타입 T의 값을 저장하고 있는 메모리 주소를 가리키는 타입임을 명확하게 드러냅니다. 이 접근 방식은 포인터를 연산자나 선언 문법이 아닌, 타입 시스템의 일부로 다룸으로써 메모리 구조를 더 직관적이고 일관되게 표현할 수 있게 합니다.

포인터는 특정 타입의 메모리 주소를 가리키는 변수이며, 이를 통해 메모리에 저장된 값에 직접 접근하거나 해당 값을 수정할 수 있습니다. 이 기능은 시스템 소프트웨어, 네이티브 라이브러리, 성능이 중요한 코드, 하드웨어 제어와 같은 영역에서 핵심적인 역할을 합니다.

포인터 선언​

Wave에서 포인터는 ptr<타입> 형태로 선언합니다. 이는 해당 타입의 값을 저장하고 있는 메모리 주소를 가리키는 포인터임을 명확하게 표현합니다.

예를 들어, i32 타입의 값을 가리키는 포인터는 다음과 같이 선언할 수 있습니다.

var p: ptr<i32>;

이 선언은 아직 어떤 메모리도 가리키지 않는 포인터 변수를 생성하며, 이후에 실제 주소로 초기화할 수 있습니다.

포인터 초기화​

포인터는 변수의 주소를 참조함으로써 초기화할 수 있습니다. Wave에서는 주소 연산자 &를 사용하여 변수의 메모리 주소를 얻습니다.

var a: i32 = 10;
var p: ptr<i32> = &a;

위 코드에서 &a는 변수 a가 저장된 메모리 주소를 의미하며, 포인터 p는 해당 주소를 가리키게 됩니다. 이 시점부터 p를 통해 a의 값에 직접 접근할 수 있습니다.

포인터 역참조​

포인터가 가리키는 실제 값을 읽거나 수정하려면 역참조가 필요합니다. Wave에서는 deref 키워드를 사용하여 포인터를 역참조합니다.

var a: i32 = 10;
var p: ptr<i32> = &a;

println("{}", deref p); // 10 출력

deref p = 20;
println("{}", a); // 20 출력

이 예제에서 deref p는 포인터 p가 가리키는 메모리 위치의 값을 의미합니다. 값을 읽을 수도 있고, 새로운 값을 대입하여 원본 변수의 내용을 변경할 수도 있습니다.

NULL 포인터​

Wave에서는 유효한 메모리를 가리키지 않는 포인터를 null 키워드로 표현합니다. 포인터 변수는 명시적으로 null로 초기화할 수 있으며, 이 경우 어떤 메모리 주소도 참조하지 않습니다.

var p: ptr<i32> = null;

널 포인터는 의도적으로 아직 초기화되지 않은 상태를 표현할 때 사용됩니다. Wave에서는 널 포인터를 역참조하려는 시도를 컴파일 단계에서 감지하여 오류로 처리함으로써, 런타임 오류나 정의되지 않은 동작을 방지합니다.

다중 포인터​

Wave는 포인터를 여러 단계로 중첩하여 사용하는 다중 포인터를 지원합니다. 포인터 자체도 하나의 값이므로, 포인터를 가리키는 포인터를 선언하는 것이 가능합니다.

var x: i32 = 1;
var p1: ptr<i32> = &x;
var p2: ptr<ptr<i32>> = &p1;
var p3: ptr<ptr<ptr<i32>>> = &p2;

println("{}", deref p1);               // 1
println("{}", deref deref p2);         // 1
println("{}", deref deref deref p3);   // 1

이처럼 다중 포인터를 사용하면 간접 참조 구조를 표현할 수 있으며, 복잡한 메모리 구조나 저수준 데이터 표현이 필요한 경우에 활용할 수 있습니다.

배열과 포인터​

포인터는 단일 변수뿐만 아니라 배열 요소나 배열 전체를 가리키는 데에도 사용할 수 있습니다.

배열의 각 요소가 포인터인 경우, 포인터 배열을 통해 여러 메모리 위치를 간접적으로 참조할 수 있습니다.

var a: i32 = 10;
var b: i32 = 20;
var arr: array<ptr<i32>, 2> = [&a, &b];

println(
    "deref arr[0] = {}, deref arr[1] = {}",
    deref arr[0],
    deref arr[1]
); // 10, 20

또한 배열 전체를 하나의 포인터로 가리키는 것도 가능합니다.

var arr: ptr<array<i32, 3>> = &[1, 2, 3];
println("{}", arr); // 메모리 주소 출력

이 방식은 배열을 함수로 전달하거나, 저수준 메모리 처리 시 유용하게 사용됩니다.

안전성과 소유권​

Wave는 포인터 사용 시 발생할 수 있는 위험을 줄이기 위해, Rust와 유사한 개념의 소유권과 수명 시스템을 도입하는 것을 목표로 설계되었습니다.

이를 통해 유효하지 않은 포인터 역참조, 댕글링 포인터, 이중 해제와 같은 문제를 컴파일 단계에서 최대한 방지하려고 합니다. 포인터는 강력한 도구이지만, Wave에서는 가능한 한 명확하고 안전한 방식으로 사용되도록 제한과 검사를 적용합니다.

fun main() {
    let x: i32 = 42;
    let p: ptr<i32> = &x;

    println("x = {}", deref p);

    deref p = 99;
    println("x = {}", x);
}

출력 결과는 다음과 같습니다.

x = 42
x = 99

이 예제에서 포인터를 통해 변수의 값을 안전하게 읽고 수정할 수 있음을 보여줍니다.

결론​

포인터는 Wave에서 고성능 저수준 프로그래밍을 가능하게 하는 핵심 기능 중 하나입니다. 직접적인 메모리 제어가 필요한 시스템 개발, 네이티브 라이브러리 구현, 하드웨어 제어와 같은 영역에서 특히 중요한 역할을 합니다.

Wave는 포인터의 강력함을 유지하면서도, 컴파일러 차원의 검사와 언어 설계를 통해 가능한 한 안전하고 예측 가능한 포인터 사용을 지향합니다. 이를 통해 개발자는 성능과 안정성 사이에서 균형 잡힌 선택을 할 수 있습니다.