09. Subroutines and Control Abstraction

Jimin Lim·2021년 12월 5일

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Control Abstraction

Data abstraction: 목적 - 정보 전달
Control Abstraction: 목적 - 잘 정의된 연산 실행
Subroutines: 대부분의 프로그래밍 언어에서 제어 추상화를 위한 주요 메커니즘이다.
Most subroutines are parameterized: 인자 값에 따라 결과가 달라진다.
Arguments: actual parameters(실질적인), formal parameters(형식적인)
Procedure: 값 리턴하지 않는 함수
Function: 값 리턴하는 함수
대부분 언어는 함수 호출 전, 정의가 되어있어야 한다.

9.2.4 In-Line Expansion

: 함수의 바디에 있는 코드를 복사해둔다.
: 함수의 기능인 파라미터 체크, 컴파일할 때의 기능등은 유지하면서 최적화하는 작업이다.

왜 사용하는데?
- activate record를 stack에 공간 할당한다는 것은 생각보다 시간이 많이 걸려서
- call and return으로 옮겨다니는 과정(branch)이 시간이 오래걸릴 수 있다.
- 어떤 함수 실행 중, 이전 함수에 대한 연결을 위해 chain을 사용하는데 관리하는 것이 시간이 많이 걸리는 작업이다.
- 함수를 호출한다면 다른 코드를 수행하는데, 레지스터의 내용을 다른 곳에 저장을 또 해야한다.
모든 함수가 inline으로 실행되는 것은 아니다.
- C++ 의 경우 inline 키워드를 붙여야 실행한다.
- In Ada: pragma
- 컴파일러가 판단 후 inline으로 만들어준다.
- (참고로 반복문이 포함되어있으면 inline으로 만들지 않는다.)
macro와 비슷하지만, macro는 타입 체크를 하지 않지만 inline은 타입 체크를 해준다.
real function보다 실행속도는 빨라질 수 있지만, 코드 크기가 커지고 recursive인 경우 복잡해진다.

9.3 Parameter Passing

: 대부분 함수는 매개변수가 존재한다.
: 어떤식으로 진행하는지 방향 결정, 필요한 데이터를 전달할 때 사용

formal parameters: 함수에 선언되는 파라미터
actual parameters: 실제로 전달되는 인자 (값으로 이해하면 된다.)

9.3.1 Parameter Modes

C, Fortran, ML, Lisp: parameter passing 에 대해 한 가지 규칙을 제공한다.
- C 언어는 call by value 방식만을 사용한다. (주소 전달 시, 주소 표현식을 넘긴다.)
Pascal, Modula, and Ada: 두 개, 그 이상 제공

p(x); 구현 관점에서 두 가지로 전달할 수 있다.
1. x의 값을 copy 해서 전달하기. (= call by value, 값 복사이므로 별개 변수)
2. x의 주소를 전달한다. (= call by reference, 변수는 새로운 alias )

 x : integer
   procedure foo(y : integer)
   		y := 3
    	print x
   ...
   x:= 2
   foo(x); 
   print x

By value: 2, 2
By reference: 3, 3
By-value/result: 2, 3 (리턴할 때 y의 값을 x로 값을 복사해준다.)

call-by-value/result

: 서브루틴 실행되기 직전에 call by value처럼 actual parameter를 복사하고, 서브루틴이 리턴할 때 값을 변경해서 리턴해준다.

In Pascal

pass by value
keywor var 를 붙인다면 call by reference

In c

항상 pass by value
Array인 경우, pass by pointer
caller의 스코프에 있는 변수를 수정하고 싶을 때, 포인터를 넘겨줘야한다.

Fortran

pass by reference
모든 actual 파라미터가 l-value 일 필요가 없다.
컴파일러가 임시 변수를 복사한다
formal parameter가 변경되어야 하는 경우, 로컬에 카피하고 그것을 제공해야한다.
f(a,b)인 경우 a를 수정해야한다면 c=a 저장해둔 후, c를 이용해서 수정해야한다.

: variable 자체가 reference인 언어에서는 도움이 되지 않아서 이용하는 방식(Smalltalk, Lisp, ML, or Ruby)
: alias 개념이 아닌, 같은 오브젝트를 공유한다는 개념이다.
: call by value, call by reference과는 다르다.

call by value: 값을 전달하면 복사해서 지역 변수로 전달
- but) formal parameter가 참조하는 객체를 수정하면 서브루틴이 반환된 후 프로그램은 actual parameter를 통해 이러한 변경 사항을 확인할 수 있다.
call by reference: 객체의 값을 수정할 수 있다.
- but) a, x가 2라는 오브젝트를 가리키는 경우일 때, call by reference는 x가 다른 오브젝트를 가리킬 수 있지만, call by sharing에서는 불가능하다.

값을 전달하면 값을 지역 변수로만 사용 -> 전역에 있는 값은 변경 되지 않음 (Value)

객체의 인자를 던지면 그 객체가 가지고 있는 속성의 값을 변경은 가능 (Reference)

함수 내부로 할당 받은 객체에 새로운 메모리 값으로 할당은 불가능
참고

In Java

primitive types은 passed by value이다.
Object type은 call by sharing이다.
- pass by value로 이해할 수 있다.

//pass by value
 void f(A a){ //a는 b의 주소를 복사
 	a = new A(); //새로운 주소 할당
 }
 
 void main(){
 	A b = new A(); //b에 A를 가리키는 주소값
 	f(b);
 }

//pass by sharing
class Temp2 {
  Object o2 = new Integer(5);
  
  void f(Object o) { 
      System.out.println("1: o2 = " + o2); //5
      o = new String("temp"); 
      System.out.println("o = " + o); //temp
      System.out.println("2: o2 = " + o2); //5
      
   }
   
   void f2() { 
       f(o2); 
    } 
    
    void printO2(int n) {
    	System.out.printf("%d: o2 = %s\n", n, o2); //3, 5 (temp의 경우 f함수에서 o로 새로 할당되지 않는다.)
     }

     public static void main(String[] args) { 
	Temp2 t = new Temp2();
	t.f2();
	t.printO2(3); 
    }
}

In C#

pass by value가 default
ref, out 으로 call by reference 가능
- ref: 초기화 필요, out: 초기화 필요 없음

The Purpose of Call-by-Reference

호출되는 함수에서 actual parameter의 값을 전달해야한다 -> pass by reference
호출하는 곳에서 값을 변경하지 못하도록 하고 싶을 때 -> pass by value
- call by value인 경우 시간이 오래걸릴 수 있다는 단점 존재, reference를 사용하는 경우가 있다.
- f(&a) void f(b* : type ): c언어처럼 사용한다면 직접 엑세스 하려면 *b를 사용해야한다 (extra level of indirection) -> 자주 사용한다면 비효율적이다.
Pascal: var 을 사용해서 call by reference 방법을 사용한다. (arg가 크거나, 수정되어야하는 경우)
C: (&) 사용 -> 값이 커서 전달했는데 수정되는 buggy 발생할 수도 있다. 따라서 Read-Only 방식이 존재.

Read-Only Parameters

Modula-3

reference 로 제공하되, value 처럼 수정하지 못한다.
Small READONLY(작은 메모리 공간): by passing a value
Larger READONLY: by passing an address
컴파일러는 임시 저장 변수를 만든 후 값을 가지고 있도록 하고, large read only 파라미터로 넘긴다.

const를 이용해서 수정되는 것을 막을 수 있다.

읽기 전용일 때, callee 가 formal parameter를 수정하는 것을 허용하는가? 수정한다면 actual parameter에도 반영이 되는가?

Ada
: 3가지 passing 모델을 제공한다.

스칼라, 포인터인 경우, copying values로 구현되어있다.

in (실질적 read only): caller에서 callee로 값을 전달하기 위함
- callee 입장에선 값을 읽기만 가능하다.
- call by value (actual -> formal 값 복사)
out: callee에서 caller로
- (Ada83) callee에 의해서 written은 가능하지만 read는 불가
- (Ada95) 둘 다 가능
- call by result (formal -> actual)
int out: 양방향
- 읽기 쓰기 가능
- actual parameter에 영향을 미친다.
- call by value/result

constructed type인 경우, value, reference 두 가지 제공한다.
-> 두 가지 방식을 제공한다면 문제 발생

in out 으로 주소를 전달한다면, callee에서 수정한다면 caller의 변수도 수정이 된다.
value/result 로 전달한다면, 값을 수정하면 바로 영향을 미치지 않는다.

References in C++

C 언어는 reference 방식이 없다.
C++ 의 경우, reference 방식을 제공한다.

void swap(int& a, int& b) { 
int t = a; a = b; b = t; }

*로 dereferencing 하는 과정이 필요없다.
const를 붙여서 readonly 변수를 사용할 수 잇다.
- spped, safety 보장

int i;
int &j = i;

alias 방식 사용
포인터가 아니다.
Uses of references
- 인자 넘길 때
- Function return 값을 복사하는 방식을 사용했는데, 이 때 reference를 넘긴다.
- 포인터를 return하는 것을 가능하다. (*, dereference) 표현을 사용하지 않아도 된다.

 cout << a << b << c; // reference 리턴
 *(*(cout.operator<<(a)).operator<<(b)).operator<<(c); //reference 리턴하지 않는다면

Closures as Parameters

: 클로져는 함수에 대한 참조에 함께 전달되는 referencing environment를 함께 보따리처럼 가져가는 것을 의미한다.

In ada

1. type int_func is access function (n : integer) return integer;
2. type int_array is array (positive range <>) of integer;
3. procedure apply_to_A (f : int_func; A : in out int_array) is
4. begin
5. for i in A'range loop
6. A(i) := f(A(i)); //이때 k값도 같이 가져와야 함
7. end loop;
8. end apply_to_A;
		...
9.  	k : integer := 3; -- in nested scope 
		...
10. 	function add_k (m : integer) return integer is
11. 	begin
12. 		return m + k; //k가 유지되어야 한다.
13. 	end add_k;
		...
14. 	apply_to_A (add_k'access, B);

In C

 void apply_to_A(int (*f)(int), int A[], int A_size) { //함수 참조
	int i;
	for (i = 0; i < A_size; i++) A[i] = f(A[i]); 
 }

C/ C++: nested 된 함수가 불가능하고, 예시의 ada처럼 k 변수를 사용한다고 친다면 k는 전역이므로 클로져가 필요가 없다.

9.3.3 Special Purpose Parameters

Default (Optional) Parameters: 동적 스코프의 주요 용도는 서브루틴의 기본 동작을 변경하는 것이며, 이는 기본 파라미터로도 수행될 수도 있다.

int default_width = 16;
int default_base = 2;
void put(int item, int width = default_width, int base = default_base);

parameter가 caller에 존재하지 않으면 default 값으로 지정된 값을 사용한다.
Ada, C++, C#, Common Lisp, Fortran 90, Python
- Python - print("gkk", end="") : end가 default value

Named Parameters: 파라미터를 순서대로 지정하지않고, 이름으로 지정한다.

print("abc", 30, sep = ',', end = ' ') #python

Variable Numbers of Arguments: 개수가 정해져 있지 않는 파라미터

Lisp, Python, C 지원
C#, Java는 typesafe manner로 지원해준다.

//java
static void print_lines(String foo, String ... lines) { 	
	System.out.println("First argument is \"" + foo + "\"."); 
	System.out.println("There are " + lines.length + " additional arguments:");
	for (String str : lines) { // lines는 배열처럼 취급됨
		Sysem.out.println(str); 
        }
}

//c#
 static void print_lines(String foo, params String[] lines) { 
 	Console.WriteLine("First argument is \"" + foo + "\"."); 
    	Console.WriteLine("There are " + lines.Length + " additional arguments:"); 
        foreach (String line in lines) {
		Console.WriteLine(line); 
        }
}

9.3.4 Function Returns

: 함수가 반환할 값을 나타내는 syntax는 매우 다양하다.

Lisp, ML, and Algol 68과 같이 expression과 statement를 구별하지 않는 언어는, 함수의 값은 body의 value에 해당하는 값이다.

: 초창기 언어 (Algo60, Fortran, and Pascal)의 함수는 왼쪽이 함수의 이름인 할당 문을 실행하여 반환 값을 지정했다.

함수의 이름이 다른 변수에 의해서 가려질 수도 있기 때문에 문제가 발생하기도 했다.
return 이라는 표현이 등장하게 되었다. (함수 종료 + 값 리턴)

func A_max(A []int) (rtn int) { 
	rtn = A[0]
	for i:=1;i<len(A);i++ { 
    	if A[i]>rtn{rtn=A[i]}
	}
	return 
}

rtn은 지역변수로 사라지는게 맞지만 위처럼 변수를 저장할 때까지 값을 유지하는 방식도 있다.

: 초창기 언어에서 함수에서 반환할 수 있는 변수의 타입을 제한하기도 했다.

Algol 60 and Fortran 77: scalar
Pascal: scalar, pointer 반환
Algo 68, Ada, C, Fortan 90, imperative 언어는 composite type도 반환 가능
ML, 후손 언어는 tuple 도 반환할 수 있다.

def foo(): 
    return 2, 3
... 
i,j=foo()

함수형 언어에서는 함수를 클로져로 리턴하는 것은 흔한일이다.
- C언어는 클로져 개념은 없지만 서브루틴의 포인터를 반환하는 방식이 있다.

Jimin Lim

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call-by-value/result

The Purpose of Call-by-Reference

Read-Only Parameters

References in C++

Closures as Parameters

9.3.3 Special Purpose Parameters

9.3.4 Function Returns

08. Composite Types

10. Data Abstraction and Object Orientation

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9.2.4 In-Line Expansion

9.3 Parameter Passing

9.3.1 Parameter Modes

call-by-value/result

Call by Sharing

The Purpose of Call-by-Reference

Read-Only Parameters

References in C++

Closures as Parameters

9.3.3 Special Purpose Parameters

9.3.4 Function Returns

08. Composite Types

10. Data Abstraction and Object Orientation

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