17) 함수 포인터

프로세스 메모리 영역에 저장되는 명령

C언어로 작성한 소스 코드가 컴파일러에 의해 기계어로 번역되면 실행 파일이 된다. 이 실행 파일은 CPU가 처리할 수 있는 '기계어 명령문' 단위로 이루어진다. 그리고 해당 프로그램이 실행되어 프로세스 형태로 메모리에 저장되면 프로그램의 명령문들은 코드 세그먼트에 옮겨진다.

 

프로세스 구성
기계어 명령문	문자열 상수 목록	동적 메모리 할당 (Heap)
	전역변수 (0으로 초기화)
	static 전역 변수 (초기화 안됨)	저역변수 (Stack)
코드 세그먼트	데이터 세그먼트	스택 세그먼트

결국 이 말은 명령문들도 메모리에 저장되어 있기 때문에 각 명령문마다 주소를 갖는다는 뜻이다. 메모리의 주소 값을 알고 있다면 당연히 포인터를 사용할 수 있을 것이다. 포인터 개념을 사용하면 특정 명령문이 저장된 메모리의 주소로 바로 이동해서 그 명령문을 실행할 수 있다. 하지만 제멋대로 메모리의 위치를 이동하면서 명령문을 실행하면 C언어의 스택 프레임이 엉망이 되기 때문에 스택 프레임이 유지될 수 있도록 함수 단위로만 이동해야 한다.

스택 프레임이란 스택을 함수단위로 구역을 나눠서 사용할 수 있도록 C언어에서 제공하는 스택 관리 방식이다.

지금까지 배운 포인터는 데이터 세그먼트 또는 스택 세그먼트에 있는 변수의 주소나 메모리 주소를 저장해서 사용하는 데이터 포인터에 대한 이야기였다. 지금부터는 코드 세그먼트에 있는 명령문의 주소를 저장해서 포인터로 사용하는 방법에 대해 설명하겠다.

 

 

함수 포인터란?

함수 포인터란 특정 함수를 구성하는 시작명령의 위치를 가리키는 포인터이다. 함수 포인터를 사용하면 해당하는 함수를 호출하여 실행할 수 있다. 함수 포인터에 대해 설명하기 위해 오른쪽과 같이 두개의 매개변수로 값을 받아서 이 값을 합산한 뒤 반환하는 Sum 함수를 만들었다.

 

int Sum(int a, int b) {      int result = 0;      result = a + b;      return result; }

이 함수를 호출해서 사용하는 코드는 다음과 같다.

int result = Sum(2, 3); /*result에는 2+3의 결과 값 5가 저장됨 */

지금까지 배운 일반적인 함수는 이렇게 호출해서 사용하는 것이 일반적이다. 앞에서도 살펴 보았듯이 함수는 여러 개의 명령문으로 구성된다. 위의 예시에서도 Sum 함수는 3개의 명령문으로 구성되어 있다. 그래서 Sum 함수 안에서 첫 번째 문장에 해당하는 int result = 0; 이 저장된 메모리 위치의 주소가 Sum 함수의 시작 주소가 된다. 하지만 명령문 자체는 얼마든지 중복될 수 있기 때문에 명령문을 기준으로 주소 값을 얻는 것은 어렵다. 이 말을 좀 더 쉽게 풀어보면 Sum 함수에 사용한 int result = 0; 코드는 다른 함수인 Sub 함수에서도 int result = 0; 이라고 사용할 수 있기 때문에, 이 코드를 함수 구별 기준으로 삼는 것은 적합하지 않다는 뜻이다. 그래서 함수의 첫 번째 명령문을 기준으로 주소값을 얻지 않고, 함수의 이름 앞에 &를 적으면 함수에 포함되는 첫 번째 명령문의 주소 값을 얻을 수 있다.

∑  /*sum 함수의 첫 번쨰 명령문 주소를 의미함, &를 적지 않아도 같게 처리됨*/

 

함수의 주소 값으로 함수 실행하기

이제 이 주소 값을 저장할 수 있는 포인터를 선언해야 한다. 데이터를 가리키는 포인터가 자신이 가리킬 대상의 크기를 명시하듯이 함수 포인터는 함수 원형을 사용해서 포인터를 선언한다. 예를 들어 Sum 함수의 원형은 int Sum(int, int); 이기 때문에 다음과 같이 선언할 수 있다. 

 

/*함수 포인터가 함수 원형을 사용하는 이유는 함수 원형을 알아야 함수를 호출할 때 스택 프레임을 구성할 수 있기 때문이다.*/ int (*p)(int, int); /*Sum함수를 카리킬 수 있는 함수 포인터를 선언함*/ p = ∑   /*Sum 함수의 주소를 p에 저장함*/

이렇게 함수 포인터를 선언하여 자신이 호출할 함수의 주소를 저장했다면 다음과 같이 함수를 호출할 수 있다.

 

in result = (*p)(2, 3);  /*int result = Sum(2, 3);과 같으므로 result에는 5가 저장됨*/

 

 

함수 그룹

 

원형이 같은 함수들을 묶기

함수의 포인터를 사용하는 가장 단순한 이유는 같은 형식의 함수를 그룹으로 묶을 수 있기 때문이다. 여기에서 같은 형식이란 같은 수의 매개변수와 자료형 그리고 같은 형태의 반환값을 갖는 함수들을 말한다.

다음과 같이 사칙연산을 하는 4개의 함수가 있다고 가정해보자.

덧셈	뺄셈	곱셈	나눗셈
int Sum(int a, int b) {      return a + b; }	int Sub(int a, int b) {      return a - b; }	int Mul(int a, int b) {      return a * b; }	int Div(int a, int b) {      return a / b; }

위 4개의 함수를 사용하여 숫자 8과 2를 연산한 결과 값을 얻으려면 다음과 같이 코드를 구성해야 한다.

 

int result1, result2, result3, result4; result1 = Sum(8, 2); result2 = Sub(8, 2); result3 = Mul(8, 2); result4 = Div(8, 2);

일반적으로 함수를 호출할 때는 이름을 사용하기 때문에 위 코드처럼 나열식으로 작성할 수 밖에 없다. 그런데 이 함수들은 잘 살펴보면 함수 이름만 다를 뿐 함수의 원형은 모두 같다. 그래서 다음처럼 함수의 포인터를 선언하면 이 함수들의 주소 값을 저장해서 사용할 수 있다.

 

같은 형태의 자료형을 묶을 때는 배열을 사용한다. 이 작업에서는 같은 함수 원형을 갖는 4개의 함수를 사용하기 때문에 배열을 사용하여 다음과 같이 선언할 수 있다. 그리고 각 함수의 주소 값으로 초기화했다.

 

int (*p[4])(int, int) = (&Sum, &Sub, &Mul, &Div);

위 코드를 메모리 그림으로 보면 다음과 같다.

P		&Sum	&Sub	&Mul	&Div
		p[0]	p[1]	p[2]	p[3]

이렇게 함수 포인터를 배열 형식으로 묶으면 이 함수들을 연속해서 호출할 때 다음과 같이 반복문을 사용하여 코드를 단순화시킬 수 있다. 다음 예제는 함수 포인터를 배열로 선언해서 8과 2를 더하고 빼고 곱하고 나누는 작업을 반복문으로 처리하고 있다.

 

int (*p[4])(int, int) = (&Sum, &Sub, &Mul, &Div); int result[4], i; for(i = 0; i < 4; i++) result[i] = (*p[i])(8, 2);

 

 

함수 포인터를 사용하여 비슷한 함수를 반복문으로 호출하기

 

콜백 함수

라이브러리를 만드는 라이브러리 프로그래머

함수 포인터를 열심히 배워도 도대체 어디에 쓰는지 알지 못한다면 배우는 의미가 없다. 함수 포인터가 실제 프로그램에서 어떻게 사용되는지 알아보자.

 

모든 프로그래머가 완제품 형식의 프로그램을 만들지는 않는다. 예를 들어 음성 데이터를 압축하거나 영상 데이터를 변환하는 작업들은 특별한 지식이 필요하기 때문에 쉽게 구현할 수 없다. 그래서 이런 기능을 쉽게 사용할 수 있도록 함수로 만들어서 판매하는 프로그래머들도 있다.

이들 프로그래머는 자신의 코드가 노출되면 안 되기 때문에 해당 코드를 컴파일해서 라이브러리(library, *.lib) 형식의 파일로 제공한다. 그리고 라이브러리 안에 있는 함수들이 어떤 형태로 선언된 함수인지 알아야 코드를 자세히 볼 수 없는 사용자들도 사용할 수 있기 때문에 함수의 원형들을 헤더(header, *.h) 파일에 적어서 함께 제공한다.

예를 들어 두 개의 정수 값을 넘겨받아서 합산하는 Sum 함수를 라이브러리 형태로 제공한다고 생각해보자. 그러면 라이브러리 사용자에게는 파일 내부를 볼 수 없는 라이브러리 파일 sum.lib와 라이브러리 파일을 설명하는 sum.h를 모두 제공해야 한다.

 

라이브러리 프로그래머가 만든 헤더 파일과 라이브러리 파일		라이브러리 사용자가 사용하는 형태
sum.h	sum.lib	#include "sum.h" #prgma comment(lib, "sum.lib") void main() {      int result = Sum(2, 3); }
/*Sum 함수의 원형*/ int Sum(int a, int b);	/*두 값을 합산하는 함수*/ int Sum(int a, int b) {      return a + b; }

 

라이브러리 프로그래머의 고민

라이브러리에 포함된 Sum 함수를 사용하던 사용자(일반 프로그래머)가 Sum 함수에 전달되는 두 숫자 값이 음수인 경우에 양수로 변환해서 합산하는 함수도 추가로 만들어달라고 요청했다. 그러면 라이브러리 프로그래머는 SumABS라는 새로운 함수를 추가한 후 다시 라이브러리 파일로 만들어서 사용자에게 제공해야 한다.

 

라이브러리 프로그래머가 만든 헤더 파일과 라이브러리 파일		라이브러리 사용자가 사용하는 형태
sum.h	sum.lib	#include"sum.h"
/*Sum 함수의 원형*/ int Sum(int a, int b); /*SumABS의 원형*/ int SumABS(int a, int b);	/*두 값을 합산하는 함수*/ int Sum(int a, int b) {      return a + b; } /*두 절댓값을 합산하는 함수*/ int SumABS(int a, int b) {  /*음수이면 -1을 곱해서 양수로 만듦*/      if(a < 0) a = a * (-1);      if(b < 0) b = b * (-1);      return a + b; }	#include "sum.h" #prgma comment(lib, "sum.lib") void main() {      int result1, result2;      /*result1에는 -1이 저장됨*/      int result = Sum(2, -3);      /*result2에는 5가 저장됨*/      result2 = SumABS(2, -3); }

하지만 라이브러리 사용자가 첫 번째 매개변수 값만 음수이면 양수로 변환하는 기능이나 두 번째 매개변수 값만 음수이면 양수로 변환하는 기능을 또 추가해 달라고 요청하면 어떻게 해야 할까? 아마 라이브러리 프로그래머는 점점 함수가 늘어나서 관리하기 힘들어질 것이다. 이것은 단순히 함수가 늘어나는 문제를 떠나서 라이브러리가 사용자의 요구에 점점 종속되는 결과를 가져온다.

 

그래서 라이브러리에 포함된 함수는 본래의 기능을 유지하고 사용자가 원하는 경우에 스스로 함수의 기능을 일부 수정할 수 있도록 제공하는 것이 더 좋다. 하지만 그렇다고 해서 라이브러리 소스 코드 전체를 줄 수는 없다. 그러면 라이브러리 사용자는 어떻게 소스코드 없이 라이브러리를 수정해서 사용할 수 있을까?

 

 

함수의 매개변수로 함수 포인터 사용하기

void MyAbsolute(int *p) {      if(*p < 0) *p = (*p) * (-1) } int SumABS(int a, int b) {     MyAbsolute(&a);     MyAbsolute(&b);     return a+b; }

만약 라이브러리 사용자가 MyAbsolute 같은 기능의 함수를 만들어서 기존 라이브러리에 있는 SumABS 함술슬 호출할 때 함께 사용하고 싶다면 어떻게 해야 할까? 기존 라이브러리에는 라이브러리 사용자가 새로 만들고자 하는 MyAbsolute라는 이름의 함수는 당연히 없기 때문에 함수 이름으로는 호출할 수 없다.

우리가 지금까지 배운 함수 포인터를 활용하면 함수 이름이 없어도 함수를 호출할 수 있다. 예를 들어 MyAbsolute 함수는 함수의 원형이 void MyAbsolute(int*);이기 때문에 라이브러리 소스 코드에서 다음과 같이 포인터를 사용하면 이함수의 주소를 받아서 사용할 수 있다.

 

void (*p)(int *);

따라서 SumABS 함수는 함수 포인터를 사용하여 다음과 같이 변경할 수 있다.

 

int SumABS(int a, int b, void(*fp_abs)(int *)) {      (*fp_abs)(&a);      (*fp_abs)(&b);      return a + b; }

라이브러리 프로그래머가 함수 포인터를 사용해 SumABS 함수를 구성하면 사용자가 원하는 MyAbsolute 함수가 없더라도 정상적으로 컴파일이 완료된다. 그리고 라이브러리 사용자가 MyAbsolute 함수를 만들어서 자신이 사용하고 싶은 시점에 다음과 같이 SumABS 함수를 사용할 수도 있다.

 

SumABS(5, -1, &MyAbsolute);  /*SumABS 함수에서 MyAbsolute 함수를 호출한 것과 같음*/

SumABS 함수를 이렇게 구성하면 MyAbsolute를 사용하고 싶을 때는 위의 예시처럼 &MyAbsolute를 세 번째 매개변수로 전달하면 된다. SumABS 함수에서 굳이 MyAbsolute 함수를 사용하지 않는 경우도 있다. 그럴 떄는 다음처럼 SumABS함수의 세 번째 매개변수에 NULL을 입력한다.

SumABS(5, -1, NULL);  /*SumABS 함수에서 MyAbsolute 함수를 사용하지 않는 경우*/

그런데 아직 소스 코드에는 SumABS 함수의 세 번쨰 매개변수로 NULL이 넘어오는 상황을 처리하지 않았다. 따라서 NULL이 발생하는 상황을 처리할 수 있도록 다음과 같이 수정해야한다.

 

int SumABS(int a, int b, void (*fp_abs)(int *)) {      if(fp_abs != NULL) (*fp_abs)(&a);      if(fp_abs != NULL) (*fp_abs)(&b);      return a + b; }

조건문을 통해 fp_abs에 저장된 주소가 NULL인지 먼저 확인한 후 (*fp_abs)(&a)또는 (*fp_abs)(&b)라고 사용해서 매개변수로 전달되는 함수를 호출한다. 그러면 SumABS 함수를 사용할 때 MyAbsolute 함수를 호출할 것인지 선택할 수 있게 된다. 이렇게 소스 코드를 수정하고 나면, Sum 함수는 SumABS 함수의 세 번째 매개변수에 NULL을 전달해서 사용하는 것과 같다. 따라서 함수의 이름을 Sum으로 통일하고 기능을 합칠 수 있다. 그리고 a 변수 값과 b 변수 값에 적용되는 기준이 다를 수도 있기 때문에 함수 포인터를 a, b 변수마다 다르게 사용할 수 있도록 설정하겠다. 즉 다음과 같이 함수 포인터를 하나 더 추가해서 pa와 pb로 변경하겠다는 뜻이다.

 

라이브러리 프로그래머
sum.h	sum.lib
/*Sum 함수의 원형*/ int Sum(int a, int b, void (*pa)(int *), void (*pb)(int *));	/*두 값을 합산하는 함수*/ int Sum(int a, int b, void (*pa)(int *), void (*pb)(int *)) {      if(NULL!= pa) (*pa)(&a);      if(NULL!= pb) (*pb)(&b);      return a+b; }

이렇게 사용하면 함수 포인터가 추가되어 조금 어렵게 보이지만 코드를 이렇게 구성하면 이 함수를 사용하는 사용자가 함수의 기능을 자유롭게 확장할 수 있다. Sum 함수의 세 번째, 네 번째 매개변수의 함수 포인터에 NULL 값이 대입되어 Sum 함수의 if문은 둘 다 처리되지 않는데. 따라서 -3 과 -2는 양수로 변환되지 않고 a+b결과 값 -5를 반환한다.

 

함수의 매개변수로 함수의 주소를 전달하여 호출하기

만약 라이브러리 사용자가 Sum 함수의 첫 번째 매개변수에만 음수가 전달되는 경우에 양수로 바꿔서 더하고 싶다면 다음과 같이 함수를 사용하면 된다.

 

Sum(-3, -2, MyAbsolute, NULL);

int Sum(int a, int b, void (*pa)(int *), void (*pb)(int *)) {      if(NULL!= pa) (*pa)(&a);      if(NULL!= pb) (*pb)(&b);      return a+b; }

 

 

 

 

1. main 함수에서 Sum 함수를 호출한다. Sum 함수의 세 번째 매개변수에 MyAbsolute 함수의 주소 값이 넘어가서 Sum 함수의 함수 포인터 pa에 저장된다.

 

2. Sum 함수의 pa 변수가 NULL이 아니기 때문에 if(NULL != pa)(*pa)(&a); 문장이 수행된다.

 

3. Sum 함수의 pa 변수가 MyAbsolute 함수의 주소 값을 가지고 있기 때문에 (*pa)(&a); 는 MyAbsolute(&a);라고 사용한 것과 같다. 따라서 Sum 함수의 매개변수 a의 주소 값이 MyAbsolute 함수의 포인터 변수 p에 저장된다.

 

4. MyAbsolute 함수의 포인터 변수 p는 변수 a의 주소 값을 저장하고 있다. 포인터 변수 p가 가리키는 값은 음수인 -3이라서 if(*p < 0) * p = (*p) * (-1); 조건문이 실행된다. 따라서 -3에 -1이 곱해져서 양수로 변환된 결과 값 3이 Sum 함수의 변수 a에 저장된다.

 

5. 함수의 포인터 pb에는 NULL값이 저장되어 있기 때문에 if(NULL != pb) (*pb)(&b); 조건문은 실행되지 않는다.

 

6. Sum 함수의 변수 a 값이 *3 에서 3으로 변경되었기 때문에 3 + (-2)가 수행되어 1이 반환된다.

 

결과적으로 라이브러리 안에 있는 Sum 함수는 수정되지 않았지만, 함수 포인터를 사용해서 MyAbsolute 함수를 호출했기 때문에 다음과 같이 사용한 것과 같다.

 

int Sum (int a, int b) {      MyAbsolute(&a);  /* if(NULL != pa) (*pa)(&a);*/      return a + b; }

 

함수의 암시적 호출 : 콜백

 

이렇게 함수 포인터를 사용하면 Sum 함수는 a, b 변수에 대한 어떤 요구 조건이 생겨도 다 처리할 수 있다. 라이브러리에 포함된 Sum 함수에 새로운 기능이 필요하더라도 사용자가 라이브러리 프로그래머에게 기능을 추가해 달라는 요구를 하지 않아도 되는 것이다. 왜냐하면 자신이 직접 MyAbsolute 함수를 만들어서 이 함수의 주소 값을 Sum 함수에 매개변수로 전달하면 되기 때문이다. 하지만 위에서 설명한 구조는 초보 프로그래머들에게 어려울 수 밖에 없다. sum.lib를 사용하는 사용자 입장에서는 당연히 Sum 함수 내부의 소스 코드를 볼 수 없다. 그렇기 때문에 라이브러리를 사용하는 프로그래머의 소스 코드에는 MyAbsolute 함수가 구현만 되어 있지 실제로 언제, 어떻게 호출되는지 알 수 없다. 즉 Sum 함수가 적절한 시점에 매개변수로 전달된 MyAbsolute 함수를 호출해서 결과 값을 만들어 준다고 예상만 할 뿐이다.

이런 식으로 자신이 사용할 함수가 명시적으로 호출되지 않고 함수 포인터에 의해 호출되는 방식을 암시적 호출,

즉 '콜백'이라고 한다. 그리고 이때 암시적으로 호출되는 MyAbsolute 함수를 '콜백 함수'라고 한다.