12 함수와 모듈화

김민영·2023년 1월 19일

C# 기초 프로그래밍

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지금까지는 구문들을 절차에 따라 작성하기만 했다면, 이제는 유지보수성을 증가시킬 방법에 대해 고민할 차례가 되었다.

전체 코드를 여러 파트로 나누고, 관리하는 방법에 대해 알아보자!

🌻 모듈화

1. 모듈

1) 전체 프로그램을 구성하는 코드를 여러 파트로 분리한 하나의 파츠를 의미
2) 각 모듈은 논리적 또는 기능적으로 분리되어 독립적인 일을 수행할 수 있어야 함
3) 모듈화는 경험치가 중요하기 때문에 숙련자를 통해 다양한 인사이트를 얻고 구현력을 높이는 것이 중요
4) 함수와 클래스: 프로그램의 모듈화를 위한 도구

2. 함수

▶ 함수란?

1) 일련의 과정(기능)에 이름을 붙인 것
2) 서브루틴, 프로시저와 동의어
3) 객체지향 프로그래밍에서 메소드 또한 유사한 개념
4) 장점: 같은 기능을 수행하는 구문을 중복하여 작성하지 않아도 되므로 프로그램의 모듈성을 높일 수 있음

▶ 함수의 작동

1) 함수 호출 시 함수 내부의 구문들이 모두 실행
2) 함수의 실행이 끝난 후 함수를 호출한 지점으로 돌아가 반환값을 줌

반환값이 없는 함수도 있다!!
3) 사용할 위치 이전에 선언해야했던 객체와 달리 함수는 사용 위치 이후에 선언해도 호출 가능

▶ 함수의 선언 (문법)

1) return-type identifier (parameter-list) { body }

int Max(int a, int b)  // header
{
    // body
   int result = (a > b) ? a : b;
   return result;
}

void Write(string message)
{
   Console.WriteLine(message);
}

함수는 header와 body로 나눌 수 있음
return-type: 함수를 실행한 후 반환되는 데이터의 타입
identifier(식별자): 함수의 이름
parameter-list: 파라미터(매개변수)로 사용할 것들의 목록
→ 매개변수 또한 객체임
→ 함수는 0개 이상의 매개변수를 가질 수 있음
body: 헤더 이후 블록 내의 구문들
2) 함수는 헤더와 바디로 나눌 수 있음

3) 다른 선언 방식

int Max(int a, int b) => (a > b) ? a : b;

위와 같은 형식으로 선언할 경우 => 이후의 구문을 실행하여 얻은 데이터를 반환

▶ 매개변수 (Parameter)

1) 함수의 body에서 활용하는 변수
2) 함수를 호출할 때 알맞은 매개변수를 함께 넘겨줘야 함
3) 인자: 매개변수의 초기값을 의미 (즉, 실질적인 데이터)

▶ return

1) 호출자(caller)

호출자란 함수를 호출하여 사용하는 주체
Main 함수에서 특정 함수를 호출했다면, 호출된 함수의 호출자는 Main()

2) 피호출자(Calle)

호출자에 의해 실행된 함수

3) return

호출자에게 데이터(반환값)를 전달
return-type이 void인 함수는 반환값이 없음

▶ 함수의 오버로딩 (Function Overloading)

1) 하나의 함수에서 매개변수의 개수와 타입을 다양하게 사용할 수 있도록 선언하는 방식

가장 기본 형식으로 함수를 선언할 시 정해진 매개변수의 갯수와 타입을 준수하여 호출하지 않는 경우 컴파일 오류 발생
위와 같이 같은 함수에 필요에 따라 다양한 매개변수를 전달해도 오류없이 사용할 수 있음

2) 가변인자 (Variadic Argument)

개수와 타입이 변할 수 있는 매개변수
params 키워드를 사용하여 매개변수가 가변인자라는 것을 알림
몇개의 매개변수가 들어오더라도 그 크기의 배열을 생성하여 매개변수로 보냄
호출부에서 인자를 전달하지 않는 경우, 크기가 0인 배열이 전달
그 인수 배열은 일반 배열을 다루는 방식으로 사용하면 됨

▶ 스택 프레임

'어떻게 함수를 실행한 후 호출한 원래 위치로 실행 흐름이 돌아올 수 있는걸까?'

1) 함수의 동작에 필요한 모든 데이터를 저장한 공간 (Stack)

함수에 전달된 인자들, 반환값, body에서 사용할 객체 등
매개변수로 전달한 인자들도 각 인자를 다루는 레지스터, 스택에 저장해 이용하는 방식인데, 처음부터 네번째까지의 인자는 레지스터를 통해 전달하고 다섯번째 이후는 스택 메모리를 통해 전달
스택을 통해 인자를 저장할 때는 8byte를 사용
→ 이러한 규칙을 정해둔 것이 호출규약

2) 정적 메모리 할당 방식

프로그램 실행 전 컴파일 단계에서 필요한 크기만큼 메모리를 확보
즉, 함수가 몇 바이트의 메모리를 사용할지는 컴파일 단계에서 미리 파악 가능
파악한 크기만큼의 공간을 함수 호출시 스택에 미리 확보하고, 하나의 데이터 값을 저장할 때마다 확보해둔 메모리 영역의 주소를 통해 접근하여 사용
함수의 작동이 끝나면, 다시 그 메모리 영역을 반환 (데이터를 아예 삭제하는 것은 아님)

3) 스택 메모리 할당 방식

BasePointer Register (rbp): 스택 메모리의 시작 주소(SP)를 저장하는 레지스터
StackPointer Register (rsp): 스택 메모리의 끝 주소(BP)를 저장하는 레지스터
두가지 레지스터에 스택 메모리의 시작과 끝 주소를 저장하고, SP - BP를 통해 크기를 알 수 있음
예를들어 BP가 0x1234, SP가 0x1224라고 할 때 스택 프레임의 크기는 16byte
→ 스택은 메모리 주소가 감소하는 방향으로 진행하므로, 시작 주소가 더 큰 값의 주소

▶ 호출 규약

: 인수를 전달하는 규칙을 정한 것

1) 32bit 아키텍쳐를 주로 사용할 때는 호출규약이 다양했지만, 64bit 아키텍쳐를 많이 사용하게 되면서 호출규약이 통일됨

2) .Net Calling Convention

.Net에서의 호출 규약
처음부터 네번째까지의 인수는 레지스터를 통해 전달, 다섯번째부터는 스택을 통해 전달
스택에 인수를 전달할 때는 8byte를 사용
정적 할당 후 레지스터에 저장된 인자를 스택으로 옮김
스택 메모리에 저장되어있던 인자는 주소 계산을 통해 가져옴
결과 데이터(반환값)는 EAX와 ECX 레지스터를 사용해 가져옴

🌻 객체의 속성

1. 범위 (Scope)

1) 지역변수
: 유효한 영역(블록) 내에서만 사용할 수 있는 변수

객체는 선언된 블록 내에서만 유효함

do
{
	int i = 20;
} while(i = 20);
// 오류 -> { } 내에서만 유효하기 때문에 i를 조건으로 사용하려면 블록 밖에 선언해줘야 함

2) 전역변수
: 어디서든 사용할 수 있는 변수

2. 수명 (Life Time)

: 객체가 유효한 시간

1) 지역변수의 수명

지역변수는 범위를 벗어나면 유효하지 않음
따라서 유효한 범위까지가 지역변수의 수명

3. 인자 전달 방식

▶ Call By Value

1) 인자 값의 복사본을 전달하는 방식
2) 원본에 영향을 주지 않음
3) 어떠한 키워드 등을 붙이지 않았을 때 기본적인 전달 방식은 Call By Value

// 값타입을 Call By Value 방식으로 전달한 예시
// 얕은 복사, 깊은 복사 개념이 적용되지 않는다

static void Main()
{
	int num = 10;
	Foo(num);

	void Foo(int x)  // num의 데이터 10으로 int x를 초기화
	{
		x = 20;  // 원본 num에 영향 미치지 않음
	}
}

// 참조타입을 Call By Value 방식으로 전달한 예시
// 얕은 복사가 일어난다

int[] arr = {1, 2, 3};
Boo(arr);

void Boo(int[] x)  // arr에 저장된 실질적인 데이터인 [0]의 주소가 복사되어 전달
{
	x[0] = 10;  // 참조 타입은 주소가 전달되므로 원본 배열의 값에 영향을 미침
							// [0]의 주소가 복사되어 전달되고, 배열의 작동 방식은 그 저장된 주소로부터
							// 몇칸이 떨어졌는지 확인하여 접근하기 때문에 실제 원본의 값이 변경되는 것
}

▶ Call By Reference

1) 인자가 저장된 객체의 주소를 전달하는 방식
2) 주소를 통해 메모리 영역에 바로 접근할 수 있기에, 원본에 영향을 줄 수 있음
3) ref 키워드를 이용하여 인자의 주소값을 전달함을 명시

int num = 10;
Foo(num);

void Foo(ref int x)
{
	x = 20;  // ref를 이용해 주소를 전달했으므로, 원본인 num의 값이 변경됨
}

4) in 키워드

읽기 전용으로 주소를 전달하는 방식
Call By Reference 방식이지만, 함수 내에서 전달된 주소에 저장된 데이터(인자)에대한 변경이 불가능함을 명시적으로 나타냄
전달된 주소에 저장된 데이터(인자)를 변경하려할 경우 컴파일 오류 발생
in을 통해 전달하는 변수는 반드시 초기화되어 있어야 함

5) out 키워드

함수는 기본적으로 0개 혹은 하나의 값을 반환할 수 있음
하지만 의도에따라 두가지 이상의 반환값이 필요할 때 out 키워드를 이용
Call By Reference이되 함수에서 반환값 외에도 추가 데이터를 반환함을 명시적으로 나타냄

string CreateHuman(out int age)  // 무조건적으로 반환할 데이터가 이거라는 걸 알리는 용도??
{
	// 이름을 string으로 반환하고
	// 나이를 int로 반환하고싶음
	age = 35;  // 이렇게 값을 넣어주지 않으면 함수 선언 자체에 컴파일 오류 발생
	return "이름";
}

int hisAge;
string hisName = CreageHuman(out hisAge);

Console.WriteLine($"그의 이름은 {hisName}이며, 그의 나이는 {hisAge}입니다.");

6) in과 out을 이용해 코드의 의도를 명확하게 표현할 수 있으며, 이에 대해 제대로 처리하지 않으면 컴파일 오류가 발생하기에 실수를 예방할 수 있음

struct Something  // 이 타입의 객체는 160 바이트
{
	public int[] Numbers = new int[40];
	public Something() { }
}

Something Sum2(Something a, Something b)
{
	return a + b;
}

// 160바이트짜리 메모리를 두개 전달하려 함
// 레지스터의 크기는 8byte이기 때문에 불가
// ref로 주소를 전달하면 160byte의 데이터를 복사하여 레지스터에 저장할 필요 없기 때문에 가능

Something Sum2(ref Something a, ref Something b)
{
	return a + b;
}

// good
// 근데 만약 의도치 않은 기능이 있다면?

Something Sum2(ref Something a, ref Something b)
{
	a = new Something();
	return a + b;
}

// 단순히 두 값을 더하는 의도로 사용하려했는데, 실수로 body의 첫줄과 같은 코드가 들어가는 경우
// a의 실제 값이 변경되기 때문에 의도와 다른 동작이 실행됨 (컴파일 오류가 안나서 발견하기 어려움)
 
Something Sume2(in Something a, ref Something b)
{
	a = new Something();  // a는 in을 통해 수정이 불가하다고 명시했기 때문에 컴파일 오류 발생
	return a + b;
}

// 이와 같이 in 키워드를 사용하면, 위와 같은 상황에 대해 컴파일 오류가 발생하기 때문에
// 값의 변경이 없다는 의도를 명확히하면서 실수를 방지할 수 있고
// 160byte 자체를 복사하지 않아도 되는 call by reference의 효과도 얻을 수 있음