Eiffel (프로그래밍 언어)

계약에 의한 설계(Design by Contract, DbC)는 아이펠 언어의 핵심 철학이자 가장 두드러진 특징이다. 이 개념은 소프트웨어 구성 요소 간의 상호작용을 명확한 계약 관계로 정의하여 소프트웨어 신뢰성을 높이는 데 목적이 있다. 계약은 선행 조건, 후행 조건, 불변식으로 구성되며, 이는 각각 루틴 호출 시 만족해야 하는 조건, 루틴 실행 후 보장되는 조건, 클래스의 인스턴스가 항상 유지해야 하는 조건을 명시한다.

이러한 계약은 언어의 기본 구문에 통합되어 있으며, require 절은 선행 조건을, ensure 절은 후행 조건을, invariant 절은 불변식을 정의한다. 컴파일러와 런타임 시스템은 이러한 계약을 검증하는 코드를 생성하며, 계약 위반 시 예외를 발생시켜 오류를 조기에 발견하고 정확한 위치를 파악할 수 있게 한다. 이는 디버깅과 소프트웨어 테스트 과정을 효율적으로 만든다.

계약에 의한 설계는 단순한 오류 검출 도구를 넘어, 소프트웨어 설계와 문서화의 방법론으로 작동한다. 계약 조건들은 해당 코드의 의도와 동작을 공식적으로 기술하는 라이브 문서 역할을 하여, 코드의 가독성과 유지보수성을 향상시킨다. 또한, 상속과 같은 객체 지향 메커니즘 하에서 계약이 어떻게 유지되거나 변경되는지에 대한 명확한 규칙을 제공한다.

이 접근법은 정형 방법의 실용적인 적용으로 평가받으며, 안전-중요 시스템 및 고신뢰성 소프트웨어 개발에 유용한 패러다임으로 인정받고 있다. 아이펠 외에도 자바용 JML이나 코틀린의 계약 기능과 같은 형태로 다른 프로그래밍 언어와 도구에 영향을 미쳤다.

Eiffel은 객체 지향 프로그래밍의 핵심 원칙인 상속을 지원하지만, 그 접근 방식은 다른 많은 언어와 차별화된다. Eiffel은 엄격한 단일 상속 모델을 채택하고 있다. 이는 모든 클래스가 오직 하나의 부모 클래스로부터만 상속받을 수 있음을 의미한다. 이 단순한 구조는 다이아몬드 문제와 같은 복잡한 상속 계층에서 발생할 수 있는 모호성을 근본적으로 방지하며, 소프트웨어 설계의 명확성과 유지보수성을 높이는 데 기여한다.

그러나 Eiffel은 다중 상속의 유용한 측면을 포기하지 않는다. 다중 상속이 제공하는 기능의 재사용성은 인터페이스나 믹스인과 유사한 개념인 다중 결합을 통해 달성한다. Eiffel 클래스는 여러 다른 클래스로부터 기능을 '통합'할 수 있다. 이때 통합되는 클래스는 상속 관계가 아닌, 클라이언트-공급자 관계로 취급되며, 계약에 의한 설계 원칙 하에 명시적인 인터페이스를 통해 상호작용한다.

이러한 접근법은 단일 상속의 단순성과 안정성을 유지하면서도, 여러 소스로부터의 코드 재사용을 가능하게 한다. 결과적으로 Eiffel 프로그래머는 복잡한 상속 트리 대신, 명확한 계층 구조와 잘 정의된 컴포넌트 간 결합을 통해 대규모 시스템을 구성할 수 있다. 이는 Eiffel이 추구하는 신뢰성 높은 소프트웨어 공학의 실천과 부합하는 설계 선택이다.

Eiffel 언어는 강력한 제네릭 프로그래밍을 지원한다. 이를 통해 타입 안정성을 유지하면서도 재사용성이 높은 컨테이너나 알고리즘을 작성할 수 있다. 제네릭 클래스나 루틴을 정의할 때는 형식 매개변수를 사용하며, 이 매개변수는 클래스 내부에서 실제 데이터 타입처럼 사용된다.

Eiffel의 제네릭 시스템은 특히 계약에 의한 설계와 깊이 통합되어 있다. 제네릭 클래스의 선행 조건, 후행 조건, 불변식은 형식 매개변수에 적용되는 모든 실제 타입에 대해 보장되어야 한다. 이는 제네릭 코드의 견고함과 신뢰성을 크게 높인다. 또한, 제약 조건을 통해 형식 매개변수가 반드시 특정 클래스의 후손이거나 특정 특징을 가져야 함을 명시할 수 있어, 유연성과 안전성을 동시에 확보한다.

실제 사용 예로, LIST [G]와 같은 표준 라이브러리 클래스에서 G는 리스트에 저장될 요소의 타입을 나타낸다. 사용자는 LIST [INTEGER]나 LIST [PERSON]과 같이 구체적인 타입을 대입하여 정수 리스트나 사람 객체 리스트를 타입 안전하게 생성하고 사용할 수 있다. 이 접근 방식은 C++의 템플릿이나 자바의 제네릭과 개념적으로 유사하지만, Eiffel의 설계 철학에 따라 더 엄격한 형식 시스템과 계약을 기반으로 한다.

Eiffel은 가비지 컬렉션을 통한 자동 메모리 관리를 기본으로 지원하는 언어이다. 이는 개발자가 명시적으로 메모리를 할당하거나 해제할 필요 없이, 런타임 시스템이 더 이상 사용되지 않는 객체를 자동으로 탐지하고 회수하는 기능을 의미한다. 이 접근 방식은 메모리 누수와 댕글링 포인터와 같은 저수준 메모리 관리 오류를 방지하여 소프트웨어의 안정성과 신뢰성을 크게 향상시킨다.

Eiffel의 가비지 컬렉션 시스템은 일반적으로 참조 카운팅이나 추적 가비지 컬렉션과 같은 알고리즘을 기반으로 구현된다. 이 시스템은 프로그램 실행 중에 객체 간의 참조 관계를 지속적으로 모니터링하여, 어떤 객체도 참조하지 않는 고립된 객체를 식별하고 그 메모리를 해제한다. 이 과정은 프로그래머에게 투명하게 이루어지며, EiffelStudio와 같은 주요 개발 환경에 통합되어 있다.

이러한 자동 메모리 관리는 Eiffel의 핵심 설계 원칙 중 하나인 계약에 의한 설계와도 조화를 이룬다. 개발자는 객체의 생성과 소멸에 대한 세부적인 메모리 제어보다는, 클래스의 불변식과 메서드의 사전조건 및 사후조건과 같은 논리적 정확성에 집중할 수 있다. 결과적으로, 대규모 및 장기 실행 응용 소프트웨어를 개발할 때 유지보수성과 견고함을 제공하는 중요한 장치가 된다.

다만, 특정한 실시간 시스템이나 극한의 성능이 요구되는 임베디드 환경에서는 가비지 컬렉션으로 인한 예측 불가능한 지연이 문제가 될 수 있다. 이를 위해 일부 Eiffel 구현체나 환경에서는 가비지 컬렉션을 조정하거나, 필요한 경우 수동 메모리 관리 기법을 적용할 수 있는 유연성을 제공하기도 한다.

Eiffel에서 모든 코드는 클래스 내에 작성된다. 클래스는 객체를 생성하기 위한 템플릿 역할을 하며, 속성과 루틴으로 구성된다. 속성은 객체의 상태를 저장하는 변수에 해당하고, 루틴은 객체의 행동을 정의하는 메서드이다. Eiffel의 클래스는 계약에 의한 설계를 지원하기 위해 선행 조건, 사후 조건, 불변식과 같은 계약 요소를 명시적으로 포함할 수 있다.

객체는 create 키워드를 사용하여 명시적으로 생성된다. 모든 객체는 참조를 통해 접근되며, 자동 메모리 관리 시스템인 가비지 컬렉션에 의해 관리된다. 클래스 간의 관계는 단일 상속을 통해 정의되며, 제네릭 프로그래밍을 지원하여 타입 안전성을 유지하면서 재사용 가능한 컴포넌트를 작성할 수 있다.

클래스의 구조는 class, feature, end 키워드로 구분된다. feature 섹션에는 외부에 공개되는 공개 루틴과 속성이 선언되며, 내부 구현 세부 사항은 feature {NONE} 섹션에 숨겨져 캡슐화를 달성한다. 생성자는 make와 같은 루틴 이름으로 정의되며, 별도의 특수 문법이 아닌 일반적인 루틴 호출 방식을 따른다.

Eiffel의 기본 구문은 명료성과 신뢰성을 강조하는 언어의 철학을 반영한다. 간단한 "Hello, World!" 프로그램은 class 키워드로 시작하는 클래스 정의 내에 작성된다. 실행 시작점은 make라는 루틴이며, 여기서 io.put_string과 같은 입출력 기능을 호출한다. 모든 문장은 세미콜론으로 구분되며, 루틴과 변수의 이름은 명시적인 선언이 필요하다.

변수 선언은 변수명: TYPE 형식을 사용하며, 예를 들어 name: STRING은 문자열 타입의 변수를 선언한다. 할당 연산자는 :=를 사용한다. 제어 구조는 if, then, else, end 키워드로 구성되며, 루틴은 do와 end 사이에 본문을 정의한다. 반복문은 from-until-loop-end 구조가 일반적이다.

Eiffel의 핵심 특징인 계약에 의한 설계는 선행 조건, 후행 조건, 불변식을 통해 코드에 명시적으로 통합된다. 이는 require, ensure, invariant 절을 사용하여 루틴이나 클래스 수준에서 정확성을 보장하는 명세를 작성하게 한다. 이러한 구문적 요소들은 소프트웨어 공학 원칙을 실천하는 데 기여한다.

EiffelStudio는 Eiffel 프로그래밍 언어의 공식 통합 개발 환경이자 주요 컴파일러 구현체이다. 이 도구는 버트런드 메이어가 설립한 Eiffel Software 사에 의해 개발 및 유지보수되며, 소프트웨어 개발의 전 과정을 지원하는 포괄적인 기능을 제공한다. EiffelStudio는 소스 코드 편집, 컴파일, 디버깅, 리팩토링, 시각화 도구를 하나의 애플리케이션에 통합하여, Eiffel 언어의 핵심 철학인 신뢰성 높은 소프트웨어 구축을 효율적으로 돕는다.

이 개발 환경의 가장 두드러진 특징은 언어의 핵심 개념인 계약에 의한 설계를 시각적으로 지원한다는 점이다. 개발자는 선행 조건, 후행 조건, 불변식을 쉽게 작성하고 관리할 수 있으며, 런타임에 계약 위반이 발생하면 상세한 디버깅 정보를 제공받는다. 또한 Melting Ice Technology라는 독특한 기술을 통해, 소스 코드를 변경한 후 전체 시스템을 재컴파일하지 않고도 즉시 변경 사항을 테스트할 수 있어 개발 생산성을 크게 향상시킨다.

EiffelStudio는 크로스 플랫폼 도구로, 윈도우, 리눅스, macOS 등 다양한 운영체제에서 동작한다. 생성된 애플리케이션은 C 코드로 컴파일되어 높은 이식성과 성능을 보인다. 이 환경에는 UML과 유사한 BON 표기법을 사용한 시스템 다이어그램 생성 도구, 자동화된 테스트 케이스 생성, 정적 분석 도구 등이 포함되어 있어 대규모 객체 지향 프로젝트 관리에 적합하다.

라이선스 정책은 이중 라이선스 모델을 따른다. 무료 오픈 소스 버전은 GPLv2와 Eiffel Forum License v2에 따라 사용할 수 있으며, 상용 소프트웨어 개발을 위한 상용 라이선스도 제공된다. EiffelStudio는 Eiffel 언어의 표준 구현체로서, 언어의 진화와 새로운 표준(ECMA 표준, ISO 표준)을 반영하는 중심 역할을 담당하고 있다.