'프로그래밍 언어' 시리즈
  1. [PL] Preliminaries
  2. [PL] Names, Bindings, Type Checking, and Scopes
  3. [PL] Data Types
  4. [PL] Expressions and the Assignment Statement
  5. [PL] Statement-Level Control Structures
  6. [PL] Subprogram
  7. [PL] Implementing Subprograms
  8. [PL] Exception Handling and Event Handling
  9. [PL] Abstract Data Types and Encapsulation Concepts
  10. [PL] Object-Oriented Programming

✦ Introduction

◆ Abstraction 의 두가지 근본적 기능

  • Process abstraction (subprogram)
    • Procedure call (함수 호출) → statement 의 모음의 추상화
  • Data Abstraction
    • Abstract Data Type
  • Statement 의 모음은 재사용 됨 → 함수화 통해 메모리 공간 & 코딩 시간 절약
  • Caller vs. Callee
  • Procedure vs. Macro

✦ Fundamentals of Subprograms

◆ 일반적 특성

  • 각 subprogram 은 단일 진입점 (single entry point) 를 가짐
  • caller 는 subprogram 실행 중에 pause 됨 → 주어진 시간에 subprogram 만 실행 중
  • subprogram 실행 종료 시 → caller 에게 제어권 돌아감

◆ 기본 정의

  • Subprogram definition : subprogram 추상화 동작 기술
  • Subprogram call : subprogram 실행되도록 하는 명시적 요청
  • Active : subprogram 실행 ~ 완료 전까지
  • Subprogram header : definition 의 첫 번째 줄
    • 뒤따르는 구문 단위가 subprogram 이라는 것을 명시
    • Subprogram 이름 제공
    • parameter 목록 명시 가능 (선택적)
    • Example
      • FORTRAN SUBROUTINE ADDER (parameters)
      • Ada procedure ADDER (parameters) is
      • C → function 만 존재 adder (parameters)
        • header 는 문맥에 의해 인식

◆ Parameters

  • Subprogram 이 데이터 접근하는 2가지 방법
    1. nonlocal 변수에 직접적 접근 (global, static 등)
      • nonlocal 에 과도하게 접근 시 reliability ↓
    2. parameter passing
      • parameterized computation (subprogram 이 어떤 computation 을 할지는 parameter 에 의해 결정)
  • 어떨 때는 데이터 아니라 연산 (computation) 을 parameter 로 전달하는게 편리함
    • subprogram 의 이름을 parameter 로 사용 가능
  • Parameter 종류
    • Formal parameter : subprogram header 에 있는 parameter
    • Actual parameter : subprogram 호출 시 parameter 목록. formal parameter 에 binding 됨
  • Parameter Passing
    • Positional parameters : actual parameter & formal parameter 의 binding 은 위치에 의해 결정
    • Keyword parameters : actual parameter 에 연결될 formal parameter 의 이름 명시
      • Example
        • Ada SUMER (LENGTH => MY_LENGTH, LIST => MY_LIST, SUM => MY_SUM);
      • subprogram 사용자가 formal parameter 의 이름을 알아야 함
  • Default values
    • formal parameter 가 기본값 (default value) 가질 수 있음
    • actual parameter 가 전달되지 않으면 default 값 사용

◆ Procedures and Functions

  • Procedure
    • parameter 화 된 연산을 정의하는 statement 의 모음
    • new statement 정의
    • caller 에게 결과 전달 방법
      • visible 변수를 변경 (formal parameter 제외)
      • formal parameter(caller 에게 데이터 전달 허용) 변경
  • Function
    • 이름 + 필요한 actual parameter 로 호출 → user defined operator
    • 함수 실행으로 생성된 값 → 호출 코드로 반환.
    • Example
      • Pascal
function power (base, exp : real) : real ;
  begin
    .....
  end
  .......
  result := 3.4 * power(10.0, x)

- FORTRAN `Result = 3.4*10.0**x`

✦ Design Issues for Subprograms

  • 어떤 parameter passing 방법 사용?
    • Pass-by-Value
    • Pass-by-Result
    • Pass-by-Value-Result
    • Pass-by-Reference
    • Pass-by-Name
  • actual parameter 의 타입이 formal parameter 의 타입과 맞는지 검사?
  • local 변수는 statically 할당 or dynamically 할당?
  • parameter 로 넘겨진 subprogram 의 referencing environment (참조 환경)
  • subprogram 이 parameter 로 전달 가능 → 전달된 subprogram 호출 시 parameter type checking?
  • subprogram overload 가능?
  • subprogram generic 가능?
  • separate compile or independent compilation 가능?

✦ Local Referencing Environments

  • Local 변수 : Subprogram 내부에서 선언된 변수
    • scope : local 변수가 선언된 subprogram 안
  • Stack-dynamic local variables
    • subprogram 실행 시작 시 storage bind, 실행 종료 시 해제
    • 장점
      • 재귀적 subprogram 허용
      • 저장 공간 공유
    • 단점
      • 각 호출 마다 변수 할당, 초기화, 해제 시간 비용
      • 간접 참조 → slow
      • history-sensitive procedure 허용 X
  • Static local variables
    • program 실행 시작 시 storage bind
    • 장점
      • 빠른 참조 허용
      • history-sensitive procedure 가능
    • 단점
      • 재귀 허용 X
  • local 변수 → 기본적으로 stack dynamic
    • Example : C
adder (list, listlen)
    int list[], listlen ;
    { static int sum = 0 ; /* → 정적 지역 변수 */
      int count ;          /* → 스택-동적 지역 변수 */
      for (count = 0 ; count < listlen ; count++)
            sum = sum + list[coㅋunt] ;
      return sum ;
    }
  • FORTRAN 77 → 재귀 X, 모든 local 변수는 static

✦ Parameter-Passing Methods

◆ Semantics Models of Parameter Passing

  • 세 가지 모드
    1. in mode : actual parameter → (data) → formal parameter
    2. out mode : actual parameter ← (data) ← formal parameter
    3. inout mode : actual parameter ← (data) → formal parameter
  • parameter 전달 시 데이터 이동 방법
    • 실제 값이 물리적으로 이동 (actual data transfer)
    • 접근 경로 (pointer) 가 이동

◆ Implementation Models of Parameter Passing

  • Pass-by-Value (call-by-value)
    • actual paratmeter 의 값 → 대응하는 formal parameter 초기화 시 사용
    • formal parameter 는 subprogram 내에서 지역 변수 (local variable) 처럼 동작
    • in-mode (actual → formal)
    • 실제 데이터 전송 통해 구현 (원본 변경 X)
    • parameter 가 큰 객체면 costly
  • Pass-by-Result
    • out-mode (actual ← formal)
      • subprogram 으로 값 전달 X
    • formal parameter 가 지역 변수처럼 동작 → caller 의 actual parameter 로 전달. 이때 actual parameter 는 반드시 변수
    • 문제점
      • 추가 저장 공간 & move 연산의 문제
      • actual parameter collision 문제
subroutine sub(x, y) {
    x = 3;
    y = 5;
}
main() {
    int p1;
    sub(p1, p1);
    p1???
}

- actual parameter 주소 평가 시점 문제

int index, list[10];

subroutine sub(a) {
    index = 5;
    a = 3;
}
main() {
    index = 3;
    sub(list[index]);
}
  • Pass-by-Value-Result (pass-by-copy)
    • inout-mode (actual ↔ formal)
    • formal 이 actual 로 초기화, return 시 formal 값이 actual 로 전달
  • Pass-by-Reference
    • inout-mode (actual ↔ formal)
    • 접근 경로, 주로 주소 (address) 전달
    • actual parameter 가 호출된 subprogram 과 공유 됨 → 원본 변경 O
    • 장점 : 복사 overhead X, 중복 공간 X
    • 단점 : formal parameter 접근 느림 (indirect addressing), actual paramter 의 의도치 않은 변경, alias 생성
  • Pass-by-Name
    • inout-mode (actual ↔ formal)
    • actual parameter → formal parameter 에 텍스트적으로 치환
    • late binding : formal parameter 는 subprogram 호출 시점에 접근 방법binding, but 값 or 주소로의 실제 바인딩은 할당 / 참조 시까지 지연 → 같은 formal parameter 참조 마다 값 변화 가능
    • actual parameter 형태 따라 구현 방법 化
      • 변수 전달 → pass-by-reference
      • 상수 전달 → pass-by-value
      • 배열 원소 (or 변수 포함 표현식) 전달 → formal parameter 참조 마다 배열 원소 (표현식) 값 변화 가능
    • 장점 : 유연성
    • 단점 : 느린 처리 속도, 구현 어려움, read & write 어려움
  • Jesen’s Device
    • 1 개의 procedure 를 여러 목적으로 사용
    • subprogram 에 표현식 + 1개 이상의 변수를 parameter 로 전달
    • parameter 에 무엇을 전달하는지에 따라 계산 방법 변화

◆ Parameter-Passing Methods of the Major Languages

  • C
    • Pass-by-Value
    • Pass-by-Reference → parameter 로 pointer 사용 시
  • C++
    • Pass-by-Reference 위한 reference type (특별한 pointer 타입) 제공
  • Java
    • Pass-by-Value
    • Pass-by-Reference → 객체 (Object)
  • Python
    • Pass-by-Assignment
      • 모든 데이터 → 객체 (object)
def spam(eggs):
    eggs.append(1)
    eggs = [2, 3]

ham = [0]
spam(ham)
print(ham)

- 객체 내부 수정 → caller 반영 (call-by-reference)
- 객체 새로 할당 → caller 에 영향 X (call-by-value)   - Call-by-Object
- 함수에 불변 (정수, 문자열, 튜플) 인자 전달 → call-by-value → 수정 X 새로운 객체를 가리킴
- 함수에 가변 (list, dict, set) 인자 전달 → call-by-reference → 단, new list 할당 시는 영향 X    - Arguments
기능 방법 특징
커맨드 라인 인자 sys.argv 리스트 형태로 저장
가변 길이 인자 *변수명 튜플 형태로 묶임
  • 대부분 언어는 기본적으로 Pass-by-Value 사용

◆ Type-Checking Parameters

  • actual - formal parameter 타입 검사해야한다고 받아들여 지고 있음
  • 예시
    • C : parameter 개수, 타입 검사 X
    • ANSI C : formal parameter 두 가지 방식 선언
      • C 와 동일 → 타입 검사 X
      • prototype 방식 → 타입 검사 O & 강제 변환 (coercion)
    • C++ : 타입이 지정된 parameter & ellipsis(…) 사용 가능
    • Perl, JS, PHP : 타입 검사 X
    • Python, Ruby : 객체가 타입 가짐 → 타입 검사 불가능

◆ Implementing Parameter-Passing Methods

  • Pass-by-Value
    • 값이 stack 위치에 복사
  • Pass-by-Result
    • actual parameter 값이 stack 에 저장 subprogram 종료 시 호출하는 프로그램이 가져올 수 있음
  • Pass-by-Value-Result
    • pass-by-value & pass-by-result 조합
  • Pass-by-Reference
    • actual parameter → 주소 (address) 만 stack 에 저장
    • 표현식 → subprogram 넘어가기 직전 표현식 평가 → 결과 저장 주소가 stack 에 저장
  • Pass-by-Name
    • thunk : parameter 없는 procedure / run-time 상주 code segment
      • 비용 높음
      • 호출된 subprogram 내의 pass-by-name parameter 모든 참조마다 호출
      • referencing environment 에서 참조 평가 & actual parameter 주소 반환

◆ Design Consideration

  • 효율성
  • 단방향 or 양방향 데이터 전달
    • 소프트웨어 공학 원칙 → in-mode only

✦ Parameters That are Subprogram Names

  • subprogram 이름이 다른 subprogram 의 parameter 로 전달
  • 전달된 subprogram 실행 시 참조 환경 (referencing environment)
    • shallow binding : callee 을 call 하는 subprogram의 환경 (SUB4)
      • dynamically scoped language 에서 사용
    • deep binding : callee 가 선언된 subprogram 의 환경 (SUB1)
      • 블록 구조 (block structured) 언어에서 사용
    • others : callee 를 actual parameter 로 전달하는 호출문을 포함하는 subprogram 의 환경 (SUB3)
procedure SUB1;
    var x : integer;
    procedure SUB2;
        begin
            write('x=', x);
        end; {of SUB2}
    procedure SUB3;
        var x : integer;
        begin
            x := 3; SUB4(SUB2); 
        end; {of SUB3}
    procedure SUB4(SUBX);
        var x : integer;
        begin
            x := 4; SUBX;
        end; {of SUB4}
    begin {of SUB1}
        x := 1; SUB3;
    end; {of SUB1}

✦ Overloaded Subprograms

  • 동일한 참조 환경 (referencing environment) 내에서 다른 subprogram 과 같은 이름을 가진 subprogram
  • overloading 된 procedure 끼리는 parameter type 과 return 값이 유일해야 함
  • overload 된 subprogram 은 actual parameter 목록에 따라 결정
  • C++
    • 각 함수의 parameter 개수 또는 type 이 유일 → overloading 가능
void fun(float b = 0.0) {
    …
}
void fun() {
    …
}
main() {
    …
    fun() ; /* ?? */
    …
}

✦ Generic Subprogram

  • 타입에 관계없이 동작하는 범용 함수
  • 함수를 한 번만 정의하고 사용 시 타입 결정 → compiler 가 타입에 맞는 버전 자동 생성

✦ Design Issues for Functions

  • side effect 허용?
  • 어떤 타입의 값 반환 가능?

◆ Functional Side Effects

  • Side Effect : 함수가 return 값 이외에 외부 변수 or 상태 변경
  • Ada
    • 함수의 paramter 는 항상 in-mode → side effect 방지
  • Pascal & C
    • 함수는 pass-by-value / pass-by-reference parameter → side effect 함수 허용

◆ Type of Returned Values

  • 대부분의 명령형 언어 → 반환 타입 제한
  • FORTRAN 77 : 함수는 비구조적 타입(unstructured types)만 반환 가능
  • Pascal and Modula-2 : 함수는 단순 타입만 반환 가능
    • integer, real, char, Boolean, pointers, enumeration types
  • C : 배열과 함수를 제외한 모든 타입 반환 가능
  • Java and C# : 메서드는 모든 타입 반환 가능

✦ Accessing Nonlocal E nvironments

  • nonlocal variables (비지역 변수) : subprogram 내에서 보이지만, 내부적으로 선언되지 않은 변수
    • static scoping languages : 필요한 것보다 더 많은 nonlocal 접근
    • dynamic scoping languages : nonlocal 변수 참조 static 하게 타입 검사 불가능

◆ FORTRAN

  • COMMON 통해 전역 저장소 블록에 접근
    • 첫 COMMON 문 발견 시 생성
  • 문제점 : 두 subprogram 이 서로 다른 이름으로 동일한 데이터 블록 포함 가능

◆ External Declarations and Modules

  • C 언어 (procedure 의 중첩 없음)
    • 전역 변수 : 함수 정의 외부에 선언해 생성
    • extern 문으로 변수 선언 → 외부에서 선언한 함수에서 변수 접근 가능

✦ User-Defined Overloaded Operators

  • 유저에 의해서 연산자 (+, *, -) overloading 가능
    • Parameter 갯수 & 타입 변화
    • return 타입 변화
  • Closures
    • subprogram + 정의된 참조 환경 (referencing environment)
      • 함수가 자신이 만들어질 때의 변수 환경 기억
    • 익명 함수 (anonymous function)

✦ Coroutines

  • 여러 개의 진입점 (multiple entries) 지님 & 스스로 그것을 제어
  • symmetric control : caller & callee coroutine 은 더 동등한 관계
  • resume : coroutine 호출
    • 첫 번째 resume → 처음부터
    • 이 후 resume → 마지막 coroutine 실행 다음 문장 부터
    • quasi-concurrent execution of program unit (표면 상 concureent)
      • 실행 interleaved (교차, 번갈아가며) O, overlapped (중첩) X

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