for 반복문

1부터 100까지 더하거나, 배열의 모든 원소(element)를 출력하거나, 사용자가 종료를 입력할 때까지 입력을 받는 일은 같은 문장을 여러 번 실행해야 합니다. 이런 일을 하는 문장을 반복문(loop statement)이라고 하며, C++에는 for, while, do-while의 세 가지가 있습니다.

이 글은 그중 반복 변수의 시작, 계속 조건, 다음 값으로 넘어가는 규칙을 한 줄에 모아 쓰는 for 문을 다룹니다. 반복을 따라가려면 변수 선언과 초기화에서 본 값의 변경과 관계 연산자와 논리 연산자의 비교식을 함께 읽어야 합니다. 뒤에서는 C++11의 범위 기반 for로 배열과 컨테이너의 원소를 차례로 다루는 방법도 봅니다.

for 문의 네 부분

for 문은 괄호 안의 세 부분과 본문으로 이루어집니다. 세 부분은 세미콜론 두 개로 나뉘는데, 한 번만 실행되는 부분과 반복마다 실행되는 부분이 섞여 있어서 적힌 순서와 실행되는 순서가 다릅니다.

for (초기화; 조건; 반복식) {
    // 조건이 true인 동안 되풀이할 본문
}

초기화는 for 문에 들어설 때 단 한 번 실행되며, 보통 int i = 1처럼 반복 변수를 선언합니다. 여기서 선언한 변수는 조건, 반복식, 본문에서 쓸 수 있고 for 문이 끝나면 범위를 벗어납니다. 조건은 본문을 실행하기 전마다 검사되어, 참이면 본문을 실행하고 거짓이면 for 문을 끝냅니다.

반복식은 본문이 끝난 뒤, 다음 조건 검사 전에 실행됩니다. 보통 ++i나 i += 2처럼 반복 변수를 바꾸어 다음 검사에 쓸 값을 만듭니다. 본문 안에서 break나 return으로 루프를 빠져나가면 반복식은 실행되지 않고, break와 continue에서 볼 continue는 본문의 나머지를 건너뛰고 반복식으로 갑니다.

실행 순서 따라가기

다음 프로그램은 1부터 5까지 출력합니다. 숫자마다 뒤에 공백을 붙여 한 줄에 출력하고, 줄바꿈은 루프가 끝난 뒤에 한 번만 합니다. 이 짧은 루프에서 네 부분이 어떤 순서로 몇 번씩 실행되는지를 출력 뒤에서 따라갑니다.

#include <iostream>

int main() {
    for (int i = 1; i <= 5; ++i) {
        std::cout << i << ' ';
    }
    std::cout << '\n';
}

1 2 3 4 5

아래 그림처럼 초기화로 i가 1이 된 뒤에는 조건, 본문, 반복식, 다시 조건의 순서가 되풀이됩니다. i가 5일 때 본문을 실행하고 반복식으로 6이 되면, 조건 6 <= 5가 거짓이어서 본문과 반복식을 건너뛰고 루프 다음 문장으로 갑니다. 그래서 조건은 참인 다섯 번과 끝을 확인하는 거짓 한 번을 합쳐 모두 여섯 번 검사됩니다.

for (int i = 1; i <= 5; ++i) {
    print(i);
}

for (int i = 1; i <= 5; ++i) {
    print(i);
}

반복이 길어지면 회차마다 조건에서 읽은 값, 본문이 바꾼 값, 반복식 뒤의 값을 표로 적으면 헷갈리지 않습니다. 다음 프로그램은 본문을 실행한 횟수와 누적 합을 따로 셉니다.

#include <iostream>

int main() {
    int count{};
    int sum{};
    for (int i{1}; i <= 4; ++i) {
        ++count;
        sum += i;
    }
    std::cout << count << ' ' << sum << '\n';
}

다섯 번째 검사 5 <= 4는 거짓이어서 본문을 실행하지 않으므로, 출력은 4 10입니다. i는 이 for에서 선언했으므로, 루프가 끝난 뒤의 출력문에서는 쓸 수 없습니다.

진행 규칙 바꾸기

반복식은 1씩 늘리는 것만이 아닙니다. 간격을 바꾸거나 거꾸로 셀 수도 있습니다.

#include <iostream>

int main() {
    for (int i = 2; i <= 10; i += 2) {
        std::cout << i << ' ';
    }
    std::cout << '\n';

    for (int i = 5; i >= 1; --i) {
        std::cout << i << ' ';
    }
    std::cout << '\n';
}

2 4 6 8 10
5 4 3 2 1

반복 횟수는 시작값, 비교 연산자, 끝값, 변화량이 함께 정합니다. for (int i = 0; i < n; ++i)는 0부터 n-1까지 n번, i <= n으로 쓰면 n+1번 실행되므로, 한 번 더 돌거나 덜 도는 오프 바이 원(off-by-one) 오류는 대부분 이 넷이 서로 맞지 않아서 생깁니다. 배열의 인덱스처럼 0부터 세는 값에는 i < n 형태가 잘 맞습니다.

거꾸로 셀 때 반복 변수를 unsigned로 두면 끝나지 않는 루프가 되기 쉽습니다. for (unsigned i = 3; i >= 0; --i)에서 unsigned 값은 언제나 0 이상이므로 조건이 항상 참이고, i가 0일 때 --i는 산술 연산자에서 본 대로 가장 큰 값으로 돌아갑니다. GCC는 -Wextra에 포함된 -Wtype-limits로 항상 참인 이런 비교를 경고합니다. 거꾸로 셀 때는 int를 쓰거나, for (unsigned i = 4; i-- > 0; )처럼 검사한 뒤에 줄이는 형태를 씁니다.

반복 변수로 실수를 쓰는 것도 피합니다. 기본 데이터 타입에서 본 것처럼 0.1은 이진 실수로 정확히 표현되지 않으므로, for (double x = 0.0; x != 1.0; x += 0.1)의 x는 1.0과 정확히 같아지지 않아 루프가 끝나지 않을 수 있습니다. 반복 횟수는 정수로 세고, 필요한 실수 값은 x = i * 0.1처럼 본문에서 계산합니다.

여러 변수와 생략

초기화에는 같은 타입의 변수를 쉼표로 여러 개 선언할 수 있고, 반복식에는 쉼표 연산자로 두 식을 차례로 쓸 수 있습니다. 같은 쉼표이지만 초기화의 쉼표는 선언을 나누는 구분자이고, 반복식의 쉼표는 기타 연산자에서 본 쉼표 연산자입니다. 아래 코드에서 i는 0부터 늘고 j는 10부터 줄며, 반복을 끝낼지는 조건 i < 3 하나만 정합니다.

#include <iostream>

int main() {
    for (int i = 0, j = 10; i < 3; ++i, --j) {
        std::cout << i << ' ' << j << '\n';
    }
}

0 10
1 9
2 8

세 부분은 필요에 따라 비워 둘 수 있지만 두 세미콜론은 남겨야 합니다. 반복 변수를 루프 앞에서 이미 만들었다면 초기화를 비우고, 본문에서 변수를 바꾼다면 반복식을 비웁니다. 조건을 비운 for (;;)는 조건이 항상 참인 것과 같아서, 본문 안의 break나 return으로만 빠져나갈 수 있습니다.

#include <iostream>

int main() {
    int tries{0};
    for (;;) {
        ++tries;
        std::cout << "try " << tries << '\n';
        if (tries >= 3) {
            break;
        }
    }
}

try 1
try 2
try 3

tries가 3이 되면 break로 루프를 빠져나옵니다. 조건 없는 루프는 끝내는 조건이 본문 속에 숨기 쉬우므로, 이렇게 빠져나가는 지점을 한눈에 보이는 곳에 둡니다.

중첩 for

for 문의 본문에 다시 for 문을 둘 수 있습니다. 바깥 루프가 한 번 돌 때마다 안쪽 루프는 초기화부터 다시 시작합니다.

#include <iostream>

int main() {
    for (int i = 2; i <= 4; ++i) {
        for (int j = 1; j <= 3; ++j) {
            std::cout << i * j << (j < 3 ? ' ' : '\n');
        }
    }

    for (int row = 0; row < 4; ++row) {
        for (int col = 0; col <= row; ++col) {
            std::cout << '*';
        }
        std::cout << '\n';
    }
}

2 4 6
3 6 9
4 8 12
*
**
***
****

첫 중첩 루프에서 바깥의 i는 2, 3, 4의 세 값을 갖고, 그때마다 안쪽의 j가 1부터 3까지 돌므로 안쪽 본문은 3×3인 9번 실행됩니다. 둘째 루프는 안쪽 조건이 col <= row여서 줄마다 별의 개수가 1, 2, 3, 4로 늘어나며, 안쪽 본문은 모두 10번 실행됩니다. 안쪽의 횟수가 바깥 변수에 따라 달라지면 곱셈 대신 회차마다의 횟수를 더해야 합니다.

범위 기반 for

배열이나 컨테이너의 모든 원소를 처음부터 끝까지 차례로 다룰 때는 C++11의 범위 기반 for(range-based for)가 간결합니다. 인덱스를 직접 만들지 않으므로 끝값을 잘못 정하는 실수가 줄어듭니다. 배열은 1차원 배열에서, std::vector는 그 뒤의 컨테이너에서 자세히 다루며, 여기서는 원소를 복사로 받는지 참조로 받는지만 구별합니다.

#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>

int main() {
    int numbers[]{10, 20, 30};

    for (int n : numbers) { n += 100; }
    for (int& n : numbers) { n += 1; }
    for (int n : numbers) { std::cout << n << ' '; }
    std::cout << '\n';

    std::vector<std::string> fruits{"apple", "banana", "cherry"};
    for (const auto& fruit : fruits) {
        std::cout << fruit.size() << ' ';
    }
    std::cout << '\n';
}

11 21 31
5 6 6

첫 루프의 int n은 원소를 복사한 새 변수여서 100을 더해도 배열은 바뀌지 않습니다. 둘째 루프의 int& n은 원본 원소를 가리키는 참조여서 1을 더한 결과가 배열에 남고, 셋째 루프가 11 21 31을 출력합니다. 문자열처럼 복사 비용이 있는 원소를 읽기만 할 때는 const auto&로 받아 복사 없이 읽으면서 실수로 바꾸는 일도 막습니다.

아래 그림은 일반 for와 범위 기반 for를 고르는 기준과, 원소(그림에서는 요소)를 받는 세 방식을 비교합니다. 인덱스가 필요하거나, 일부 구간만 돌거나, 거꾸로 또는 몇 칸씩 건너뛰어야 하면 일반 for가 알맞습니다. 그림의 설명대로 std::vector<bool>처럼 원소 대신 프록시 객체를 돌려주는 범위에서는 auto로 받아도 원본이 바뀔 수 있으므로, 이 비교는 배열처럼 실제 원소의 참조를 돌려주는 범위를 기준으로 합니다.

범위 기반 for는 범위를 나타내는 식을 처음에 한 번 평가하고, 그 범위의 시작과 끝을 얻어 순회합니다. 그래서 순회하는 도중에 std::vector에 원소를 추가하는 것처럼 범위 자체를 바꾸는 코드는 잘못된 위치를 가리키게 될 수 있습니다. 순회 중에 컨테이너의 크기를 바꿔야 한다면 따로 검토해야 합니다.

더 깊이: 범위 기반 for를 펼친 모양과 임시 객체의 수명

표준은 범위 기반 for를 일반 for로 펼친 모양으로 정의합니다. 범위를 나타내는 식은 auto&& __range = 범위식;처럼 이름 없는 참조에 한 번 묶이고, begin과 end로 얻은 두 반복자를 __begin != __end인 동안 비교하며 ++__begin으로 나아갑니다. 클래스에 begin과 end 멤버가 있으면 그것을, 없으면 인자 의존 조회(ADL)로 찾은 begin()과 end()를 씁니다. C++17부터는 __begin과 __end의 타입이 달라도 되어, 끝을 반복자 대신 '널 문자를 만났는가' 같은 조건으로 나타낼 수도 있습니다.

이 펼친 모양에서 임시 객체의 함정이 생깁니다. 범위 식이 돌려준 임시 객체는 __range에 묶여 루프가 끝날 때까지 살지만, C++23 이전에는 범위 식 안의 다른 임시 객체가 그 식이 끝날 때 사라졌습니다. 그래서 foo()가 값을 돌려줄 때 for (auto& x : foo().items())는 foo()가 만든 임시 객체가 루프를 시작하기도 전에 사라지고, items()가 돌려준 참조로 사라진 객체를 순회하는 정의되지 않은 동작이었습니다.

C++23은 P2718R0으로 범위 식 안의 임시 객체도 루프가 끝날 때까지 살도록 바꾸었고, GCC는 15에서 이를 구현했습니다. 하지만 이 교재가 기준으로 삼는 C++20에서는 여전히 위험하므로, C++20의 초기화 문을 써서 for (auto thing = foo(); auto& x : thing.items())처럼 임시 객체에 이름을 붙여 두는 편이 안전합니다. 자세한 규칙은 cppreference의 범위 기반 for에 있습니다.

정리

• for는 초기화를 한 번 실행한 뒤 조건, 본문, 반복식, 다시 조건의 순서를 되풀이하고, 조건이 거짓이면 본문과 반복식을 건너뛰고 끝납니다.
• 초기화에서 선언한 변수는 for 문 안에서만 쓸 수 있습니다.
• 반복 횟수는 시작값, 비교 연산자, 끝값, 변화량이 함께 정하며, 0부터 셀 때는 i < n 형태가 잘 맞습니다.
• 거꾸로 셀 때 unsigned와 i >= 0을 함께 쓰면 끝나지 않으며, 반복 변수로 실수를 쓰지 않습니다.
• 중첩 루프에서 안쪽 루프는 바깥 회차마다 다시 시작하므로, 안쪽 본문의 실행 횟수는 회차별 횟수의 합입니다.
• 범위 기반 for에서 auto는 복사, auto&는 원본 수정, const auto&는 복사 없는 읽기입니다.

연습 문제

1. 조건과 반복식 바꾸기

count_and_sum.cpp에서 조건만 i < 4로 바꾸면 출력은 무엇인가요? 원래 조건으로 되돌리고 반복식만 i += 2로 바꾸면 무엇인가요?

2. 별의 개수

nested_for.cpp의 둘째 루프에서 바깥 조건을 row < 6으로 바꾸면 별은 모두 몇 개 출력되나요? 안쪽 조건을 col < row로 바꾸면 첫 줄은 어떻게 되나요?

3. 복사와 참조

int values[]{1, 2, 3}; 다음에 for (auto v : values) { v *= 2; }를 실행하고 배열을 출력하면 무엇이 나오나요? auto를 auto&로 바꾸면 어떻게 되나요?

다음 글 while과 do-while 반복문에서는 반복 횟수를 미리 알 수 없을 때, 조건만으로 반복을 이어 가는 while과 본문을 먼저 한 번 실행하는 do-while을 다룹니다.