형변환

정수와 실수를 함께 계산하거나, 실수 값을 정수 변수에 담거나, 문자를 그 코드 값으로 읽을 때는 한 타입의 값을 다른 타입으로 바꾸는 형변환(type conversion)이 일어납니다. 정수 5와 실수 5.0은 같은 수처럼 보이지만 메모리에 저장되는 비트의 모양이 전혀 달라서, 둘을 함께 계산하려면 먼저 같은 타입으로 맞춰야 합니다.

형변환에는 컴파일러가 스스로 하는 암시적 변환(implicit conversion)과, 프로그래머가 직접 적는 명시적 변환(explicit conversion)이 있습니다. 이 글은 두 변환이 언제 일어나고 어떤 값을 잃을 수 있는지 보고, 변환하는 시점이 계산의 결과를 어떻게 바꾸는지 확인합니다.

그림의 요점은 컴파일러가 변환을 허용한다는 것과 값이 그대로 보존된다는 것이 별개의 질문이라는 점입니다. 변환은 초기화와 대입, 함수 호출, 반환, 산술 연산처럼 대상 타입이 정해지는 자리에서 일어나며, 그때마다 그 값이 대상 타입의 범위와 정밀도 안에 드는지를 따로 확인해야 합니다.

암시적 변환

암시적 변환은 대상 타입이 정해진 문맥에서 컴파일러가 알아서 하는 변환입니다. 코드는 짧아지지만, 허용된다고 해서 값을 잃지 않는다는 뜻은 아닙니다.

대입과 초기화에서는 오른쪽 값이 왼쪽 변수의 타입으로 바뀝니다. int 값 10을 double에 담으면 10.0이 되어 값이 보존되지만, 실수를 정수에 담으면 소수점 아래를 버립니다. 버린 뒤의 값이 그 정수 타입의 범위를 넘으면 정의되지 않은 동작이며, 일반 대입에서 경고를 낼지는 컴파일러의 옵션에 달려 있습니다.

int num_int = 10;
double num_double = num_int;

double pi = 3.141592;
int integer_pi = pi;

num_double은 10.0이고, integer_pi는 소수점 아래를 버린 3입니다. 정수를 실수로 바꿀 때도 모든 값이 보존되는 것은 아니어서, 64비트 long long의 큰 값은 double의 정밀도 53비트로 담을 수 없어 가장 가까운 값으로 반올림됩니다.

산술 연산에서는 두 피연산자를 하나의 공통 타입으로 맞춘 뒤 계산하는데, 이 규칙을 일반 산술 변환(usual arithmetic conversions)이라고 합니다. int와 double을 더하면 int가 double로 바뀌어 double로 계산하고, char나 short, bool처럼 int보다 작은 정수는 계산하기 전에 먼저 int로 바뀝니다. 작은 타입을 이렇게 값을 잃지 않고 넓히는 것을 특히 승격(promotion)이라고 부르며, bool의 false는 0, true는 1이 됩니다.

#include <iostream>

void printNumber(double num) {
    std::cout << "received: " << num << "\n";
}

int main() {
    int a = 10;
    double b = 3.5;
    std::cout << "a + b: " << a + b << "\n";

    printNumber(123);

    char ch = 'A';
    int code = ch;
    bool flag = true;
    int flagValue = flag;
    std::cout << "code: " << code << ", flag: " << flagValue << "\n";

    std::cout << "-1 < 1u: " << (-1 < 1u) << "\n";
}

a + b: 13.5
received: 123
code: 65, flag: 1
-1 < 1u: 0

함수를 부를 때도 인자가 매개변수의 타입으로 바뀌어, 정수 123이 double 매개변수에 123.0으로 들어갑니다. char의 'A'는 GCC가 쓰는 UTF-8에서 65로 승격되고, true는 1이 됩니다.

마지막 줄은 부호 있는 정수와 부호 없는 정수를 섞을 때의 함정입니다. -1은 int이고 1u는 unsigned int이므로 일반 산술 변환이 -1을 unsigned int로 바꾸는데, 그 값은 $2^{32}-1$인 4294967295여서 1u보다 큽니다. 그래서 -1 < 1u가 거짓인 0이 되며, 이런 비교를 변수끼리 하면 GCC는 -Wall에서 부호가 다른 정수의 비교라는 경고를 냅니다. 음수가 될 수 있는 값을 부호 없는 값과 비교할 때는 이 변환을 먼저 생각합니다.

명시적 변환과 이름 있는 캐스트

명시적 변환은 프로그래머가 어떤 값을 어느 타입으로 바꾸라고 직접 적는 것으로, 캐스트(cast)라고도 부릅니다. 값을 잃을 수 있는 변환을 일부러 한다는 뜻을 드러내거나, 암시적 변환으로는 원하는 계산이 되지 않을 때 씁니다.

C에서 쓰던 (double)numerator 같은 괄호 캐스트는 C++에서도 동작하지만, 문맥에 따라 아래의 여러 캐스트 가운데 하나나 그 조합으로 해석되어 어떤 위험을 받아들이는지가 표기에 드러나지 않습니다. 그래서 C++은 하는 일에 따라 이름이 다른 네 가지 캐스트 연산자를 두고, 새 코드에서는 이쪽을 씁니다.

static_cast<T>(식)은 가장 흔히 쓰는 캐스트로, 숫자와 열거형 사이의 변환, 클래스가 허용한 변환, 상속 관계에서의 일부 변환처럼 표준이 정한 변환을 합니다. 그 변환이 허용되는지는 컴파일할 때 검사하지만, 값이 범위 안에 드는지나 객체의 실제 타입이 맞는지는 프로그래머가 확인해야 합니다.

#include <iostream>

int main() {
    double d_val = 3.14;
    int i_val = 10;

    std::cout << static_cast<int>(d_val) << "\n";
    std::cout << static_cast<double>(i_val) / 4 << "\n";
    std::cout << static_cast<char>(65) << "\n";
}

3
2.5
A

static_cast<int>(3.14)는 소수점 아래를 버린 3이고, 10을 먼저 double로 바꾸어 4로 나누면 2.5가 됩니다. 65를 char로 바꾸면 UTF-8에서 A인 코드 단위가 되어 글자로 출력됩니다.

나머지 세 캐스트는 쓰임이 좁습니다. dynamic_cast는 가상 함수가 있는 클래스의 상속 관계에서, 기반 클래스를 가리키는 포인터가 실제로 어떤 파생 클래스의 객체를 가리키는지 실행 중에 검사하며 변환합니다. 실패하면 포인터는 nullptr이 되고 참조는 std::bad_cast 예외를 던지며, 이 캐스트가 필요한 상속 구조의 예는 다중 상속과 가상 상속에서 다시 나옵니다.

const_cast는 포인터나 참조에서 const를 붙이거나 떼는 데만 쓰며, const를 받지 않는 오래된 함수에 값을 넘기는 것처럼 드문 경우에 씁니다. 원래 const로 만든 객체를 const_cast로 떼어 낸 뒤 고치는 것은 정의되지 않은 동작입니다. reinterpret_cast는 포인터와 정수, 서로 관계없는 포인터 타입 사이의 저수준 변환을 하는데, 결과가 구현에 따라 정해지고 그 포인터로 객체에 접근해도 되는지는 정렬과 수명 같은 별도의 조건에 달려 있어, 장치나 운영체제의 인터페이스처럼 꼭 필요한 곳에만 씁니다.

더 깊이: 비트를 그대로 다른 타입으로 읽으려면

float 값의 비트를 정수로 보려고 *reinterpret_cast<std::uint32_t*>(&f)처럼 쓰는 코드를 흔히 볼 수 있지만, 이것은 타입 별칭 규칙(type aliasing rule)을 어기는 정의되지 않은 동작입니다. 이 규칙에 따르면 객체는 자기 타입, 부호만 다른 짝 타입, 그리고 char, unsigned char, std::byte를 통해서만 읽고 쓸 수 있습니다. 컴파일러는 이 규칙을 믿고 다른 타입으로 쓴 값이 이 타입의 값을 바꾸지 않는다고 가정해 최적화하며, GCC에서는 -O2부터 켜지는 -fstrict-aliasing이 이 가정을 씁니다. 그래서 최적화를 끈 빌드에서 맞게 보이던 코드가 -O2에서 다른 값을 읽기도 합니다.

C++20의 <bit>에 있는 std::bit_cast<To>(from)은 같은 일을 정의된 방법으로 합니다. 두 타입의 sizeof가 같고 둘 다 바이트를 그대로 복사해도 되는 trivially copyable 타입이면, from과 같은 비트를 가진 To 값을 새로 만들어 돌려줍니다. 포인터와 멤버 포인터, 공용체, volatile 타입, 참조 멤버가 어느 부분에도 들어 있지 않은 타입끼리라면 constexpr 문맥에서도 쓸 수 있습니다. C++20 이전에는 std::memcpy로 바이트를 복사하는 방법을 썼으며, cppreference의 std::bit_cast 설명에도 이 방식으로 만든 구현 예가 있습니다.

중괄호 초기화와 축소 변환

변수 선언과 초기화에서 본 것처럼, 중괄호 초기화는 값을 잃을 수 있는 축소 변환이 필요하면 컴파일 오류를 냅니다. 아래 세 줄은 같은 3.14를 int에 담는 세 방법으로, 중괄호 초기화와 복사 초기화, 명시적 캐스트가 같은 변환을 어떻게 다르게 다루는지 보여 줍니다.

int x{3.14};
int y = 3.14;
int z = static_cast<int>(3.14);

첫 줄은 double에서 int로의 축소 변환이어서 컴파일되지 않습니다. 둘째 줄은 표준이 허용해 3이 되고 경고는 옵션에 달려 있으며, 셋째 줄은 같은 3을 일부러 고른다는 뜻을 캐스트로 드러냅니다. 다만 중괄호 초기화가 모든 손실을 잡아 주는 것은 아니며, 표준이 축소 변환으로 정한 경우만 막습니다.

변환하는 시점과 나눗셈

변환이 계산의 어느 시점에 일어나는지가 결과를 바꾸는 대표적인 예가 나눗셈입니다. int끼리 나누면 정수 나눗셈이 되어 몫만 남고 소수점 아래는 버려집니다.

#include <iomanip>
#include <iostream>

int main() {
    int total{100};
    int count{3};
    double after = total / count;
    double alsoAfter = static_cast<double>(total / count);
    double before = static_cast<double>(total) / count;
    std::cout << std::fixed << std::setprecision(3)
              << after << ' ' << alsoAfter << ' ' << before << '\n';
}

33.000 33.000 33.333

그림처럼 앞의 두 식은 int / int가 먼저 정수 몫 33을 만들고, 그 33을 double로 바꾸므로 버려진 소수점 아래가 돌아오지 않습니다. 셋째 식은 total을 먼저 double로 바꾸므로, 일반 산술 변환이 count도 double로 맞춰 100.0 / 3.0을 계산합니다. std::setprecision(3)은 소수점 아래 세 자리로 보여 주는 형식일 뿐, 저장된 값을 세 자리로 바꾼 것은 아닙니다. 소수부를 얻으려면 나누기 전에 피연산자를 바꿔야 합니다.

정리

• 형변환은 대입과 초기화, 산술, 함수 호출, 반환처럼 대상 타입이 정해지는 자리에서 일어나며, 허용되는 것과 값이 보존되는 것은 별개입니다.
• 실수를 정수로 바꾸면 소수점 아래를 버리고, 범위를 넘으면 정의되지 않은 동작이며, 큰 정수를 실수로 바꾸면 정밀도를 잃을 수 있습니다.
• 산술 연산은 일반 산술 변환으로 공통 타입을 만들며, 부호 있는 음수와 부호 없는 값을 섞으면 음수가 큰 양수로 바뀝니다.
• C++의 캐스트는 쓰임에 따라 static_cast, dynamic_cast, const_cast, reinterpret_cast로 나뉘며, 괄호 캐스트보다 뜻이 분명합니다.
• 중괄호 초기화는 표준이 정한 축소 변환을 컴파일 오류로 막습니다.
• 나눗셈에서 소수부를 얻으려면 나누기 전에 피연산자를 실수로 바꿔야 하며, 결과를 나중에 바꿔도 버려진 값은 돌아오지 않습니다.

연습 문제

1. 입력을 바꾼 평균

divide_timing.cpp에서 total을 101로, count를 4로 바꾸면 세 값은 어떻게 출력되나요?

2. 음수의 소수점 버리기

static_cast<int>(-3.9)는 -3인가요, -4인가요?

3. 부호가 다른 비교

std::vector<int> v;의 크기 v.size()는 부호 없는 정수입니다. int i = -1;일 때 i < v.size()는 비어 있는 v에서 참인가요?

다음 글 네임스페이스에서는 std::가 무엇을 뜻하는지, 이름이 서로 부딪히지 않도록 이름 공간을 나누는 방법과 using 선언의 범위를 다룹니다.