C언어 함수 고급

Minimal_user·2024년 5월 14일

c언어

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1. 호출 규약

1.1. 스택

호출 규약(Calling Conversation)이란 함수를 호출하는 방식에 대한 일종의 약속이다.
- 인수는 어떻게 전달하며 리턴값을 어떻게 반환하고 인수 전달을 위해 사용한 메모리는 누가 정리할 것인지 등을 규정한다.
호출 규약은 컴파일러 내부에서 일어나는 일이다. (그래서 이해하기 쉽지 않다.)
컴파일러의 내부 동작과 함수의 호출 과정을 알게 되면 재귀호출이나 가변 인수 등의 고급 기법들을 이해할 수 있다.
호출 규약을 이해하기 위해서는 스택에 대해 알아야 하며 스택은 기계어 수준에서 동작하기 때문에 어셈블리 언어에 대한 개념도 필요하다.

스택은 시스템이 사용하는 메모리 공간이다.
- CPU가 임시적인 정보를 저장할 필요가 있을 때 이 영역을 사용한다.
다음은 메모리 구조다.(도스 운영체제의)

--프로그램 코드--	--데이터--	------------힙------------	----자유영역----	--------------스택--------------
(낮은 번지)		아래로 자란다 ->		<- 위로 자란다. $\,\,\,\,\,\,$ (높은 번지)

앞부분에는 프로그램의 코드가 있고, 이어서 데이터 영역이 있으며 데이터 영역 아래쪽에는 자유 영역인 힙이 있다.
- 힙은 실행 중에 실행 중에 동적으로 할당되는 메모리 영역이며 할당이 발생하면 뒤쪽으로 이동하면서 자유 영역을 사용한다.
스택은 메모리의 가장 뒷부분(높은 번지)에 위치하는데 값을 넣으면 위쪽으로 이동한다.
힙과 스택 사이에는 자유 영역이 있어 두 영역 사이의 완충 역할을 한다.
- 만약 힘과 스택이 만나게 되면 메모리가 부족한 상태가 된다.
스택에 값을 저장하는 동작을 push라고 하며 저장된 값을 빼내는 동작을 pop이라고 한다.
스택의 현재 위치는 esp 레지스터에 기억되며 push하면 esp가 감소하면서 값이 스택으로 들어가고
pop하면 esp에 저장된 값을 빼내고 esp가 증가한다.
- push A는 esp-=4, mov [esp], A와 같다.
- pop A는 mov A, [esp], esp+=4 와 같다.
스택에 저장된 값들은 LIFO의 원칙에 따라 가장 최후에 들어간 값이 가장 먼저 나온다.
- 예를 들어 A, B, C 순으로 값을 push했다면 pop할 때는 C, B, A 순으로 읽혀진다.
CPU의 범용 레지스터는 개수가 많지 않기 때문에 필요한 레지스터가 이미 값을 가지고 있을 때는 스택에 레지스터 값을 잠시 대피해 놓고 사용한다.
- 이때 CPU는 레지스터의 값을 스택에 push하여 저장해 놓고, 이 레지스터를 사용하며 다 사용하고 난 후 pop해서 복구한다.
저장된 값을 복구할 때는 푸시한 반대 순서대로 팝해야 한다.
- esp는 푸시될 때 감소하며 팝할 때 다시 증가하여 항상 다음 액세스할 위치를 가리킨다.
예를 들면 두 번 푸시한 후 두 번 팝하면 스택은 원래 상태로 돌아가는 특성이 있다.
- 그래서 푸시, 팝 회수만 정확하게 맞추면 얼마든지 많은 값들을 저장할 수 있으며 넣은 순서의 역순으로 꺼내기만 하면 된다.
또한 푸시한 대상과 팜하는 대상이 반드시 일치하지 않아도 되므로 스택을 경유하여 레지스터끼리 값을 대입할 수도 있고, 교환하는 것도 가능하다.
- 대입의 경우 push ecx를 통해 ecx의 값을 스택에 저장하고 pop eax를 통해 스택에 저장했던 ecx의 값을 eax에 저장할 수 있다.
- 교환의 경우 push ecx, push eax를 통해 exc, eax 순으로 각 레지스터의 값들을 스택에 저장하고, pop ecx, pop eax를 통해 ecx에는 이전의 eax의 값을, eax에는 이전의 ecx의 값을 저장함으로써 교환할 수 있다.
c언어는 스택을 직접 조작하는 방법을 제공하지 않는다.

1.2. 스택 프레임

함수가 호출될 때 스택에는 함수 전달되는 인수, 실행을 마치고 돌아올 복귀 번지, 지역변수 등의 정보들을 저장한다.
스택에 저장되는 함수의 호출 정보를 스택 프레임(Stack Frame)이라고 한다.
또한 함수 실행 중에도 필요한 경우 임시적인 정보 저장을 위해 스택을 사용하되 이때 푸시 횟수와 팝 횟수는 일치하므로 함수가 리턴하면 정확하게 호출전의 상태로 돌아가 항상성을 유지한다.
함수의 실행과정을 어셈블리 단위에서 살펴보면 알 수 있는 것으로
- 인수도 함수 호출 중에만 생명이 유지되는 일종의 지역변수다. 인수의 초기화 시점은 함수가 호출될 때이며 함수 내부에서만 통용된다.
- 지역변수를 많이 선언하는 것과 함수의 실행 속도와는 직접적인 상관이 없다.
  - 지역변수 영역은 esp를 필요한 양만큼 감소시켜 생성하는데 10을 빼나 20을 빼나 연산 속도는 일정하다.
- 지역변수를 많이 쓴다고해서 프로그램이 커지는 것도 아니다.
  - 어차피 지역변수는 스택에 임시적으로 생겼다가 함수가 끝나면 사라지므로 프로그램의 크기와는 무관하다.
- 지역변수를 위해 esp를 위로 올려 공간만 만들 뿐이므로 별도의 초기식이 없으면 지역변수는 초기화되지 않는다.
  - 이 때 원래 공간에 들어있던 값이 바로 쓰레기값이다.
  - 지역변수를 초기화하면 이때는 초기화하는 시간만큼 느려지고 필요한 코드만큼 프로그램의 크기도 늘어난다.
- 함수를 호출할 때마다 스택 프레임이 생성되었다가(prolog) 사라지는 복잡한 과정을 거치므로 함수 호출에는 오버헤더가 있다.

1.3. 호출 규약 (이하 생략)

gcc에서는 정상 작동하지 않는 것 같음.
Windows 어플리케이션이나 x86(32비트 아키텍처)에서만 작동하는 것 같다.
호출 규약이 바뀌면 스택 프레임의 모양과 관리 방법도 달라질 수 있다.
- 호출 규약에 따라 인수를 전달하는 방법과 스택의 정리 책임, 함수의 이름을 작성하는 방법이 달라진다.

2. 재귀 호출

재귀 호출(Recursive Call)은 자지가 자신을 호출하는 형식이다.
자기 자신을 호출할 횟수는 가변적이다.
재귀 호출을 이용해서 풀 수 있는 대표적인 문제는 너무 거대해서 한 번의 함수 호출로 해결하기 힘들 때 큰 문제를 작게 나누어 각 호출시마다 점진적으로 문제를 해결할 때(Divide and Conquer, 분할 점령) 사용한다.
또한 다루는 자료 자체가 재귀적인 구조를 가지고 있을 때도 개쥐 호출을 사용한다.
팩토리얼 예시

int Factorial(int n){
	if (n <= 1)
		return 1;
	else
		return n*Factorial(n-1);
}

void main() {
	printf("1~5까지의 곱=%d\n",Factorial(5));
}

재귀 호출보다 복잡하지도 않고 함수 호출에 대한 오버헤드가 없어 속도상으로도 훨씬 더 유리하므로 팩토리얼을 구하기 위해 재귀호출이 꼭 필요한 것은 아니다.
- 재귀 호출 구조를 가지는 함수는 이런 식으로 일반 함수로 변환할 수 있을 경우 가급적이면 재귀 호출은 쓰지 않는 것이 좋다.
- 그러나 어떤 경우는 재귀호출이 아니면 도저히 문제를 해결할 수 없는 경우도 있고 재귀호출을 쓸 때 구조상으로나 속도상으로 훨씬 더 유리한 경우도 있다.
같은 함수가 여러 번 호출되더라도 각 호출에 사용되는 인수나 지역변수들은 호출별로 스택에 따로 기억된다.
재귀 호출이 무한 호출이 되지 않는 이유는 내부에 반환점이 있기 때문이다.
- 일정한 조건이 되면 스택에 생성된 호출 인스턴스를 역으로 되짚어 돌아갈 수 있는 장치가 있기 때문에 무한히 반복되지 않는다.
재귀 호출은 각 호출 인스턴스마다 스택 공간을 소모하므로 호출 깊이가 너무 깊어서는 안 되며, 일정 회수를 넘지 않도록 관리해야 할 필요가 있다.
- 자신을 중복 호출하는 깊이가 수천, 수만회 이상 된다면 스택 공간이 소진되는 사태(Stack Overflow)가 발생할 수 있으므로 이점을 항상 주의해야 한다.
- 스택이란 유한한 메모리 공간이다.
재귀 호출 함수가 몇 번이나 재귀를 할 수 있는가는 스택의 남은 양과 함수 내부에서 사용하는 지역변수의 총 크기에 따라 달라진다.
- 스택이 많이 남아 있을수록, 지역변수 크기가 작을수록 더 많은 재귀를 할 수 있다.
- 깊은 호출을 하는 프로그램은 옵션 조정을 통해 스택을 기본값보다 더 크게 잡아주는 것이 좋다.
- 재귀 호출 함수의 지역변수는 꼭 필요한 것만 선언하여 스택 공간을 낭비하지 않도록 해야 한다.
최대 재귀 회수도 관리해야 한다.
- 스택 오버플로우 에러를 방지하려면 호출원에서 일정회수 이상을 넘지 않도록 하거나
- 함수 내부에서 한계값 이상은 거부하도록 조건문을 이용한 안전장치를 마련할 필요가 있다.
재귀 호출이 꼭 필요한 가장 대표적인 예는 디렉토리를 검색할 때이다.
트리 구조 순회에도 재귀 호출을 이용할 수 있다.