역행렬(Inverse Matrix)
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C++ 컴파일러는 가상 함수를 호출할때 자료형을 참조하는 것이 아니라, 객체 포인터를 이용해 함수를 호출하게 되는데, 이를 구현하기 위해 C++ 컴파일러는 컴파일 단계에서 가상 함수를 가지는 모든 클래스에 대해 가상 함수 테이블을 생성한다. 이 가상 함수 테이블 내의 각 항목은 정의된 가상 함수를 가리킨다. C++ 컴파일러는 가상 함수를 가지는 클래스의 객체에 대해 객체가 할당된 메모리의 처음 4바이트에 가상 함수 테이블의 주소를 저장한다..
가상함수 테이블 포인터(vptr)을 이용해 가상함수를 호출하기 때문에 객체의 처음 4바이트가 어떤 클래스의 가상 함수 테이블을 가리키는지에 따라 다른 가상 함수를 테이블이 구체적으로 어떻게 생성되고 객체는 자신의 처음 4바이트를 어떻게 초기화시키는지 알아보자
가상 함수 테이블이 클래스 단위로 생성된다고 했는데, C++ 컴파일러가 가상함수 테이블을 클래스 단위로 생성하는 것은 객체의 메모리 크기를 줄이기 위해서 이다. 만약 객체 메모리 영역에 직접 가상 함수 포인터를 생성한다면 가상 함수 개수에 비례하여 객체의 크기는 늘어날 것이다.
어차피 동일한 클래스로 생성된 객체들은 동일 가상 함수를 호출해야 하기 때문에 이것은 메모리 낭비가 아닐수 없다.
그래서 C++ 컴파일러는 가상함수를 가리키는 포인터를 테이블로 구성하고 이것을 클래스 단위로 생성한 다음 이 테이블에 대한 포인터를 객체 맨 앞에 4바이트에 설정함으로서 간단하게 객체에 가상함수 테이블을 포함하는 효과를 가질수 있도록 한다. 이렇게 C++ 컴파일러가 가상함수 테이블을 관리하기 때문에 가상함수를 가지는 클래스는 가상함수의 개수에 상관없이 객체의 크기는 항상 멤버 변수의 총 크기에 4바이트를 더한 크기로 생성될수 있게 된다.
가상 함수에 대한 모든 원리는 테이블과 관련이 있기 때문에 이것에 대해 좀더 알아보자
가상 함수 테이블의 크기는 해당 클래스에 정의된 가상함수 개수에 비례한다.
여기서 정의된 가상함수란 상위 클래스에 정의된 가상함수도 포함한다.
그래서 상위 클래스에 두개의 가상함수가 정의되고, 자신의 클래스에 하나의 가상 함수가 정의 된다면 가상 함수 테이블 내의 항목은 상위 클래스의 가상 함수를 가리킨다. 너무나 당연한 이야기지만 가상 함수 테이블 내의 항목은 재정의 된 가상 함수를 가리킨다. 가상 함수 테이블의 이런 특징 때문에 어떤 클래스가 가상 함수를 상속 받아 가상 함수를 재정의 하지 않고 객체를 생성하여 해당 가상 함수를 호출하면 상위 클래스에 정의된 가상 함수가 호출된다.
[출처] 클래스 단위로 컴파일러가 생성하는 가상함수 테이블|작성자 동키
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[ 가상함수(Virtual Function) ]
1. 가상함수 개요
■ 가상함수(Virtual Function)란?
- 실행시 사용된 객체에 의해 실행 코드가 결정되는 함수
- 지정자 virtual로 선언됨 지정자 virtual은 선언문에 존재함.
class Animal { public : virtual void breathe(); };
class Fish : public Animal { public : virtual void breathe(); }; |
■ 가상 함수의 호출
- 기반클래스의 포인터가 파생클래스의 객체를 가리킬 때, 그 포인터를 통해 가상함수를 호출하면 파생 클래스에서 재정의한 함수가 호출됨.
Animal* a = new Fish; a -> breathe(); // Fish::breathe 호출 |
→ a->breathe(); 는 Fish::breathe 를 호출함. 즉, a->breathe(); 는 함수명으로는 Animal::breathe를 호출하지만, 내용으로는 Fish::breathe 가 호출되는 것임.
■ 기반클래스의 멤버함수가 virtual 을 갖고 있을 때
- 파생클래스에서 재정의한 함수는 virtual 을 생략해도 저절로 가상함수가 됨.
- 그러나 기반클래스의 가상 함수를 파생클래스에서 재정의할 때도 virtual 을 명시해주는 것이 관례임. (소스코드 이해가 수월하기 위해서...)
2. 가상함수의 특징
■ 동적바인딩(Dynamic Binding)
- 가상함수는 동적결합(Dynamic Binding)을 함. (코드만 봐서는 어떤 코드가 실행될지 정해지지 않은 상태. 즉, 객체를 생성하는 시점에 생성조건에 따라 실행코드가 결정된다.)
- 일반함수는 정적 결합을 하는 반면, 가상 함수는 동적 결합을 함.
■ 가상함수(동적 바인딩)의 장단점
- 장점 : 실행시 다형성(Runtime Polymorphism) 이라는 융통성을 갖게 됨. (상황에 생성하는 조건에 따라 실행 코드를 변경할 수 있다.)
- 단점 : 가상함수를 사용하면 실행속도에서는 손해
3. 가상 함수 테이블 (Virtual Function Table)
■ vtable (Virtual Function Table) 이란?
- 가상 함수에 대한 포인터 배열
- 가상 함수를 사용하는 클래스의 각 객체는 vtable을 가리키는 vptr이라는 숨겨진 포인터를 갖고 있음.
- 가상함수를 포함한 클래스의 객체를 생성할 때 vtable이 만들어짐.
- 객체에서 가상함수를 호출하면 vptr를 통해 vtable에 있는 해당함수를 찾아 수행시킴.
■ 파생클래스에서의 vtable
- 기반클래스의 객체로부터 vtable을 물려 받아 수정 및 확장함.
- 파생클래스에서 재정의한 가상함수가 있다면 기반클래스의 가상 함수에 대한 포인터가 들어 있던 곳을 파생클래스에서 재정의한 가상함수에 대한 포인터로 변경함.
- 기반클래스의 포인터가 파생클래스의 오브젝트를 가리킬 때 그 포인터를 통해 가상 함수를 호출하면 파생클래스에서 수정한 vtable 을 사용하게 되므로 파생 클래스에서 재정의한 함수가 호출됨.
4. 가상 소멸자
■ 상속 관계에서 기반클래스의 포인터가 파생클래스의 동적 객체를 가리킬 때 그 포인터를 통해 동적 객체를 제거하면...?
기본적으로 기반 클래스의 소멸자만 호출되고 파생 클래스의 소멸자는 호출되지 않음.
class Animal { };
class Fish : public Animal { };
Animal* a = new Fish; delete a; |
■ 기반클래스의 포인터가 파생클래스의 동적 객체를 가리키고, 그 포인터를 통해 동적 객체를 제거했을 때 파생클래스의 소멸자까지 호출되도록 하려면...?
기반 클래스의 소멸자를 다음과 같이 가상 소멸자(Virtual Destructor)로 만들어야 함.
class Animal { public : Animal(); virtual ~Animal(); };
class Fish : public Animal { public : Fish(); virtual ~Fish(); };
Animal* a = new Fish; delete a; |
→ delete a;는 Animal::~Animal 뿐만 아니라 Fish::~Fish 도 호출함.
[ 순수가상함수(Pure Virtual Function) ]
1. 순수 가상 함수
■ 순수 가상 함수 (Pure Virtual Function) 란?
- 선언만 있고 정의가 없는 가상 함수
- 파생 클래스에서 재정의할 것으로 예상되는 함숭에 대해 미리 호출 계획을 세워 두기 위해 정의.
■ 가상함수를 순수 가상함수로 만드는 방법
- 다음의 예와 같이 선언시 0을 지정하면 됨.
- 여기서 '=0'은 Pure Specifier임.
class Animal { public : virtual void breathe() = 0; };
class Fish : public Animal { public : Fish(); virtual void breathe(); }; |
→ Animal::breathe 는 순수 가상함수임. Animal::breathe 는 함수명만 제공하고, 내용은 Fish::breathe 에서 제공하게 됨.
2. 추상클래스 (Abstract Class)
■ 추상클래스란?
- 순수 가상함수를 포함하고 있는 클래스.
- 파생클래스의 행동양식을 미리 설계하기 위한 기반클래스임.
- 일반적으로 순수 가상함수를 통해 인터페이스를 제공하고 파생클래스에서 그 인터페이스를 구현하게 됨.
class Animal { // 추상클래스 Animal public : virtual void breathe() = 0; }; |
■ 추상클래스의 특징
- 추상클래스의 객체를 생성하는 것은 불가능. ∵ 정의되지 않은 함수를 가지고 있기 때문...
- 추상클래스는 파생클래스를 정의하여 순수가상함수를 구현하였을 때 객체를 생성할 수 있다.
- 추상클래스의 포인터를 선언하는 것은 가능함.
- 추상클래스의 포인터는 흔히 파생 클래스의 객체를 가리키게 되는데, 추상클래스의 포인터가 파생클래스의 객체를 가리킬 때 그 포인터를 통해 가상함수를 호출하면 파생클래스에서 재정의한 함수가 호출됨.
Animal* a = new Fish; a -> breathe(); // 추상클래스 Animal delete a; |
2. 순수 가상함수의 재정의
■ 순수 가상함수의 재정의
- 순수 가상함수는 사용하기 전에 반드시 재정의해야 함.
- 만일 기반 클래스가 순수 가상 함수를 포함하고 있는데 파생 클래스에서 그것을 재정의하지 않는다면 그 파생 클래스도 추상 클래스가 됨.
→ 기반클래스 뿐만 아니라, 그 파생클래스의 객체를 생성하는 것도 불가능 함.
class Animal { // 추상클래스 Animal public : virtual void breathe() = 0; };
class Fish : public Animal { public : void swim(); };
Animal* a = new Animal; // error Animal* f = new Fish; // error |
출처 : http://blog.daum.net/embedded-seo/449971
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프로그램, 프로세스, 스레드의 차이를 알아보자.
일반적으로 프로그램(Program)은 메모장과 같은 하나의 실행 가능한 단위를 의미한다.
그러나 아시다시피 메모장은 여러개를 동시에 실행할 수 있다. 이때 각각의 메모장은 서로 다른 프로세스(Process)에 의해서 실행이 된다.
즉, 프로세스는 프로그램을 객체화 시킨 것.
각 프로세스는 4GB의 개별 주소 공간과 파일, 메모리, 스레드를 소유하게 된다. 이 말에서도 나온것 처럼 스레드는 다시 프로세스에 속한다.
하나의 프로세스는 여러개의 스레드(Thread)를 소유할 수 있으며 프로세스 자체는 껍데기일 뿐이고 사실은 스레드가 모든 명령을 수행한다.
프로세스가 최초로 생성될때 각종 관련 변수와 메모리 등을 생성하면서 메인 스레드를 생성하게 되는데 이 메인 스레드가 사실 모든 명령들을 처리한다.
그러나 사용자가 원하면 멀티 스레드 (Multi-Thread)가 가능한데 즉, 하나의 프로세스가 여러개의 스레드를 가지고서 다양한 작업을 분산 시켜 처리하도록 하는 것이다.
사용자가 임의로 타이머를 만들어서 규칙적인 시간에 일정한 작업을 처리하는 것보다 (또는 PeekMessage를 이용한 방법보다) 운영체제가 알아서 시간을 쪼개에 스레드에게 작업을 나누어 주는 것이 훠어어얼씬 효율적이고 빠르단다.
다만, 멀티 스레드가 가지는 문제점은 하나의 프로세스안에 존재하는 스레드들은 같은 코드와 주소공간, 그리고 전역 변수를 '공유'하게 됨으로써 생기는 '자원 경쟁' 혹은 '비동기 문제'이다.
하나의 프로세스 안에 있는 1번 스레드가 전역 변수를 변경하고 있는 동안 다른 2번 스레드가 그 값을 참조하거나 다시 변경하게되면 사용자가 예상치 못한 이상한 값들로 바뀌어 버리는 문제가 생기게 된다.
그래서 이것을 해결하기 위해서는 가장 좋은 것이 스레드들이 공유하는 전역 변수 자체를 안만들거나, 혹은 스레드 지역 기억장소 (Thread Local Storage) 공간을 사용해야 한다.
TLS는 다른 말로 쓰자면 '하나의 스레드에 대해서만 전역 변수인 공간'이다.
이렇게 복잡하게 설정을 해야 하는 이유는, C의 런타임 라이브러리가 애당초 Multi-Thread개념이 생기기 전에 만들어 졌기 때문이다.
기존 C 런타임 라이브러리는 함수들이 주로 Static 을 많이 사용하고 있는데 (특정 함수에서) 이 Static 변수들이 스레드 간에 '자원 경쟁' 혹은 '비동기' 때문에 엉뚱한 결과를 내는 현상을 가져왔다.
그래서 이걸 뜯어고치기되 기존 C 런타임 라이브러리를 동시에 유지하기 위해서 MLS가 도입된 것이다.
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메모리를 할당받기 위해 사용하는 malloc() 함수는 일반적으로 glibc에 포함된 메모리 할당자에서 구현이 되어있다. 현재 glibc에서 사용하는 메모리 할당자는 ptmalloc(http://www.malloc.de/en/) 이다.
메모리 할당자의 역할은 brk/sbrk/mmap 등을 사용해서 시스템으로부터 큰 메모리 영역을 할당 받아서, 이것을 적절하게 분할하여 어플리케이션이 요청하는 메모리 할당을 처리하게 된다. 즉, malloc()을 호출하더라도 항상 시스템콜을 통해서 시스템으로부터 메모리를 할당 받는게 아니다. 그리고 반대로 메모리를 해제하는 경우도 즉시 시스템으로 반환되지 않고, 메모리 할당자가 자유 메모리 리스트에 추가해서 나중에 프로그램이 다시 메모리 할당을 요청하는 경우 재사용하게 된다.
따라서 빈번하게 메모리를 할당하고 반납하는 프로그램의 경우 메모리 할당자에서 단편화(fragmentation)가 발생해서 실제로 요청한 메모리보다 더 많은 메모리를 시스템으로부터 할당받는 문제가 발생하게 된다. mallinfo()를 사용하면 시스템으로부터 얼마를 할당받았고, 실제 사용은 얼마나 하고 있고, 사용은 안하지만 반납은 안한 메모리가 얼마인지 등의 메모리 사용량 정보를 자세히 확인할 수 있다. 그러나 struct mallinfo 구조체의 멤버들이 int 타입으로 되어있어서 사용량이 큰 경우 제대로된 결과를 표시할 수 없는 문제점이 있다.
그래서 규모가 큰 어플리케이션들은 glibc의 기본 메모리 할당자인 ptmalloc이 메모리 단편화 문제가 심하다고 하여 다른 메모리 할당자를 사용하는 경우도 있다. FireFox의 jemalloc이 대표적인 예이다.
현재 개발 중인 메모리 기반의 데이터베이스 프로그램도 이런 메모리 단편화 문제로 상당히 많은 양의 메모리를 손해 보는 문제가 있었다. 대략 1MB 당 0.2MB의 메모리가 단편화로 손해 보는 것으로 조사 되었다.
그래서 이런 문제를 해결하기 위해 Google Perf-tool(http://code.google.com/p/google-perftools/)에 포함된 TCMalloc 메모리 할당자를 도입해서 사용했다. TCMalloc은 속도도 빠르고 메모리 단편화 문제도 ptmalloc에 비해 상당히 적었다. 그러나 시스템으로부터 할당받은 메모리를 전혀 반환하지 않는 점이 단점이라고 할 수 있다. 즉, 메모리를 한번이라도 할당 받으면, 해당 메모리는 프로그램이 해제를 하더라도 시스템으로 전혀 반환되지 않고 프로세스가 다음에 사용할 때까지 잡고 있는 것이다.
만약 프로그램의 메모리 할당 패턴을 정확하게 알고 있다면 자신만의 메모리 할당자를 만드는것도 한 방법일 수 있다. 하지만 brk/sbrk 시스템콜은 프로세스의 데이터 세그먼트를 선형적으로 확장해서 메모리를 할당받기 때문에 반환 과정을 구현하기가 쉽지 않다. 반면에 mmap은 속도는 조금 느리지만 할당받은 메모리를 munmap으로 쉽게 반환할 수 있는 장점이 있다. 즉, 프로그램이 사용할 전체 메모리량을 미리 예측할 수 있다면 해당 크기만큼 mmap으로 할당 받아서 적절하게 분배하여 사용한 후 munmap으로 반환하도록 구현하면 된다.
<참고 자료>
* Advanced Memory Allocation
* Building your own memory manager for C/C++ projects
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1. 뮤텍스(Mutex) : 커널
모든 thread에 사용될 수 있는 동기화 객체.
mutex를 신호상태로 생성하고 thread에서 wait함수를 호출하면 비신호 상태가 된다. 즉 다른 thread에서 접근 불가.
ReleaseMutex를 사용하여 다시 신호상태로 돌릴 수 있다.
프로그램 중복 실행을 방지하기 위해 사용되기도 한다.
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// 프로그램 중복 실행 방지
HANDLE hMutex = CreateMutex( NULL, FALSE, "MyProject" );
if(GetLastError() == ERROR_ALREADY_EXISTS)
{
return FALSE;
}
2. 크리티컬섹션(Critical section) : 유저
같은 프로세스내에 사용될 수 있는 동기화 객체.
EnterCriticalSection으로 비신호, LeaveCriticalsection으로 신호 상태가 된다.
LeaveCriticalSection 사용하면 다른 thread의 접근이 가능하다.
3. 세마 포어(Semaphore) : 커널
뮤텍스와 비슷하다. 하지만 접근 가능한 thread의 개수를 지정할 수 있다.
세마포어는 내부적으로 카운트를 가지고 있는데, wating thread가 있으면 카운트가 하나씩 줄어든다.
그리고 그 카운트가 0이 되면 비신호 상태가 되어 다른 thread에서 접근이 불가능하다.
ReleaseSemaphore 사용 시 카운트가 1 증가하여 다른 threa에서 접근이 가능해진다.
WaitforSingleObject 처럼 thread를 정지시키는 효과를 부여하기 위해 모든 thread를 비신호 상태로 만들기도 한다.
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GDI+를 사용하게 되면 문자는 기본적으로 유니코드를 사용하게되어 있다.
그렇기 때문에 ANSI코드를 직접 입력하게 되면 문자가 깨져나오는 불상사가 생기게 된다.
그렇기때문에 #define UNICODE 메크로를 사용하여 코드가 유니코드를 사용하게 해야하는데 이는 아직 익숙치 않은 것이라 ANSI를 UNICODE로 변환하여 사용하는 방법을 사용한다. 물론 익숙하지 안은 것이외에도 반드시 코드변환을 사용해야 할 경우는 있다.
텍스트 파일에 있는 문자를 읽어 올 때에는 아직까지 모든 텍스트 파일의 문자는 ANSI로 되어 있기 때문에 이를 UNICODE로 변환 해야하는 경우가 있을 수 있다.
ANSI 코드를 UNICODE로 변경시켜주는 API 함수는 MultiByteToWideChar()이 있다
MultiByteToWideChar ( UINT CodePage, //변환대상의 코드페이지 DWORD dwFlag, //변환 Flag LPCSTR lpMultiByteStr, //변환대상 MBCS 문자열 int cbMultiByte, //변환대상 문자열 길이 -1이면 자동으로 길이 계산 LPWSTR lpWideCharStr, //변환결과를 저장할 버퍼 int cchWideChar //변환결과 문자열 길이 보통 변환대상의 2배로 설정한다. ) |
UNICODE 를 ANSI로 변환할때는 WideCharToMultiByte()를 사용한다.
MultiByteToWideChar ( UINT CodePage, //변환대상의 코드페이지 DWORD dwFlag, //변환 Flag LPCWSTR lpWideCharStr, //변환대상 MBCS 문자열 int cchWideChar, //변환대상 문자열 길이 -1이면 자동으로 길이 계산 LPSTR lpMultiByteStr, //변환결과를 저장할 버퍼 int cbMultiByte, //변환결과 문자열 길이 LPCSTR lpDefaultChar, //변환할 수 없는 문자를 대신할 문자 LPBOOL lpUsedDefaultChar //기본으로 설정된 lpDefaultChar여부를 확인 ) |
char *amsg = "Good programming!"; wchar_t wstr[100];
wchar_t *wmsg = L"Perpect programming!"; char astr[100];
MultiByteToWideChar(CP_ACP, 0, amsg, -1, wstr, 100);
WideCharToMultiByte(CP_ACP, 0, wmsg, -1, astr, 100, NULL, NULL); |
위와 같이 MultiByteToWideChar 와 WideCharToMultiByte 를 사용해서 코드를 변환 할 수 있지만 문자열이 간단한 것이라면 다음과 같이 wsprintfW 와 wsprintfA를 사용해 더욱 간단하게 코드 변환을 할 수 있다.
char *amsg = "Good programming!"; wchar_t wstr[100];
wchar_t *wmsg = L"Perpect programming!"; char astr[100];
wsprintfW(wstr, L"%S", amsg);
wsprintfA(astr, "%S", wmsg);
%S에서 s가 대문자인 것을 유의해야한다. |
API는 ANSI 와 UNICODE의 혼합 사용을 지원하기 위해 매크로를 지원하고 있다. 실제로는 무척 많은 양이지만 압축하면 다음과 같다.
일반형 | UNICODE | ANSI | Description |
TCHAR | wchar_t | char | 문자 |
LPTSTR | wchar_t* | char* | 문자열 |
LPCTSTR | const wchar_t* | const char* | 문자열 상수 |
TEXT("문자열")을 사용하면 ANSI, UNICODE 에 상관없이 해당 코드 환경에 알맞게 문자열을 변환해준다.
출처 : http://blog.daum.net/crexy/7265111
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이 문자 표현 형식의 단점은 모든 한글을 표현할 수 없는 단점이 생깁니다. 위에 언급했다 시피 자주 쓰이는 2350자만 배열하였기 때문에 문제가 되는 것이죠.
B0 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | A | B | C | D | E | F |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
A0 | 가 | 각 | 간 | 갇 | 갈 | 갉 | 갊 | 감 | 갑 | 값 | 갓 | 갔 | 강 | 갖 | 갗 | |
B0 | 같 | 갚 | 갛 | 개 | 객 | 갠 | 갤 | 갬 | 갭 | 갯 | 갰 | 갱 | 갸 | 갹 | 갼 | 걀 |
C0 | 걋 | 걍 | 걔 | 걘 | 걜 | 거 | 걱 | 건 | 걷 | 걸 | 걺 | 검 | 겁 | 것 | 겄 | 겅 |
D0 | 겆 | 겉 | 겊 | 겋 | 게 | 겐 | 겔 | 겜 | 겝 | 겟 | 겠 | 겡 | 겨 | 격 | 겪 | 견 |
E0 | 겯 | 결 | 겸 | 겹 | 겻 | 겼 | 경 | 곁 | 계 | 곈 | 곌 | 곕 | 곗 | 고 | 곡 | 곤 |
F0 | 곧 | 골 | 곪 | 곬 | 곯 | 곰 | 곱 | 곳 | 공 | 곶 | 과 | 곽 | 관 | 괄 | 괆 |
000000-00007F | 0xxxxxxx |
ASCII와 동일한 범위 |
000080-0007FF | 110xxxxx 10xxxxxx |
첫 바이트는 110 또는 1110으로 시작하고, 나머지 바이트들은 10으로 시작함 |
000800-00FFFF | 1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx | |
010000-10FFFF | 11110zzz 10zzxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx |
UTF-16 서로게이트 쌍 영역 (yyyy = zzzzz - 1). UTF-8로 표시된 비트 패턴은 실제 코드 포인트와 동일 |
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