09 function, pointer

09-01. 함수가 필요할 때

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왜 함수가 필요한지, 어떤 경우에 함수가 필요한지부터 알아보자.

함수를 사용하지 않던 코드들을 함수를 사용하여 동작하도록 하는 것을 re-factoring이라고 한다.

#define _CRT_NOSECURE_NO_WARNINGS
#include <stdio.h>
#include <string.h> // strlen()
#include <stdbool.h>

#define WIDTH 40
#define NAME "ChangHyun Oh"
#define ADDRESS "CA, USA"

void print_chars(char c, int n_stars, bool endl)
{
    for (int i =0; i < n_stars; ++i)
        printf("%c",c);
    if (endl == true)
        printf("\n");

}

void print_centered_str(char str[])
{

    int n_blanks = 0;

    n_blanks = (WIDTH - strlen(str)) / 2; // 좌우에 들어갈 수 계산
    print_chars(' ', n_blanks, false); //빈칸 넣어주기

    printf("%s\n", str);
}

int main()
{
    print_chars('*', WIDTH, 1);


    print_centered_str(NAME);
    print_centered_str(ADDRESS);

    print_chars('*', WIDTH, 0);

    return 0;
}

09-02. 함수의 프로토타입

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9-1 에서의 코드를 이용해 강의를 진행한다.

앞으로 여러분들은 현대적 프로그래밍을 진행하기 때문에, 모든 함수가 내부적으로 작동하는지 외울 필요는 없다. 아주 복잡한 모듈들을 조합하면서 작업을 하게 될 것이다.

그렇다면, 어디까지는 최소한으로 알아야 할까? 바로 무엇이 들어가고 무엇이 나오는지까지는 알아야 한다! 그래서 그 부품들을 조립해서 재빠르게 작동하는 프로그램을 만드는 것이다!!

이를 위해 숙지하고 있어야 할 개념은 블랙박스 함수이다. 입력/출력이 무엇인지 알지만, 내부에서 어떻게 작동하는지는 알 수 없다는 것을 의미한다. 코딩을 할 때 이를 먼저 디자인 한 이후에, 그 내부를 채워가는 식으로 코딩을 해나가는 것이 최근에 많이 사용되는 방법이다.

function의 definition, body를 정의하고 이를 main 함수에서 사용한다. 하지만 컴퓨터 빌드는 이와 다르게 진행된다. 컴퓨터가 컴파일을 할 때는, 블랙박스로써 무엇인지만 알면 된다. 즉, main() 함수 위에서는 입력/출력이 무엇인지만 알면 컴파일을 할 수 있다.(= 함수의 프로토타입만 있어도 빌드를 할 수 있다!)

프로토타입만 있어도, 빌드는 정상적으로 진행된다!! 이것이 우리의 직관과는 다른 C/C++ 의 특징 중 하나이다. 그 이후에는 파일을 분리하여서 프로토타입만 main() 함수에 넣어줄 수 있다!!

프로토타입의 argument 내에는 빈칸으로 두어도 된다. 이후에 실제로 함수를 짤 때 argument를 지정해줘도 된다. (예전에는 그렇게 코딩함) (단, void를 넣으면 안됨)

09-03. 함수의 자료형과 반환값

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int int_min(int, int);

int main()
{
    int i1, i2;

    while(1)
    {
        printf("Input two integers: ");

        if(scanf("%d %d", &i1, &i2) != 2) break;

        int lesser = int_min(i1, i2);
        // int lesser = min;
        printf("The lesser of %d and %d is %d \n", i1, i2, lesser);

        //printf("The lesser of %d and %d is %d \n", i1, i2, int_min(i1, i2));
    }
}

int int_min( int i, int j)
{
    return (i < j) ? i:j; // ternary operation
}

다음과 같이 자료형을 반환하고, int_min function에서는 return에서 삼항연산자를 이용하여 return한다!

09-04. 변수의 영역과 지역 변수(scope, local variable)

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09-05. 지역 변수와 스택(Stack)

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지역변수와 스택이 어떻게 작용하는지를 알아보자.

09-06. Recursion

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void my_func(int);

int main()
{
    my_func(1);
    return 0;
}

void my_func(int n)
{
    printf("level %d, address of variable n = %p \n", n, &n);

    my_func(n+1);

    //Stop condition

    //Tail recursion


}

09-07. Recursion and Stack

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09-08 팩토리얼 예제

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long loop_factorial(int n);
long recursive_factorial(int n);

int main()
{
    int num = 3;

    printf("%ld \n", loop_factorial(num));
    printf("%ld \n", recursive_factorial(num));

    return 0;
}

long loop_factorial(int n)
{
    long ans;

    for (ans = 1; n > 1; n--)
        ans *= n;

    return ans; 
}

long recursive_factorial(int n)
{

    if (n > 0)
    {
        return n * recursive_factorial(n-1); // tail(end) recursion
    }
    else
        return 1;
}

09-09. 이진수 변환 예제

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이번 강의에서는 재귀호출을 이용하여 10진수를 2진수로 변환하여 보자.

void print_binary(unsigned long n);
void print_binary_loop(unsigned long n);

int main()
{
    unsigned long num =10;

    print_binary_loop(num);
    print_binary(num);

    printf("\n");

    return 0;
}

// note: printing order is reversed!

void print_binary_loop(unsigned long num)
{
    while(1)
    {
        int quotient = num/2;
        int remainder = num %2;

        printf("%d", remainder); //remainder is 0 or 1

        num = quotient;
        if (num ==0) break;
    }
    printf("\n");
}

void print_binary(unsigned long num)
{

    int remainder = num % 2;

    if (num >=2)
        print_binary(num/2);
    printf("%d", remainder);
    return;

}

09-10. 피보나치 예제와 재귀 호출의 장단점

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int fibonacci(int number);

int main()
{
    for (int count = 1; count < 13; ++count)
        printf("%d ", fibonacci(count));
    return 0;
}

int fibonacci(int number)
{
    if (number > 2)
        return fibonacci(number -1) + fibonacci(number -2);
    else
        return 1;
}

재귀호출을 2개를 return한다! double recursion이라고 부른다.

하지만 이들은 메모리를 많이 사용하기 때문에 비효율적이다. 스택에는 변수 뿐만 아니라 함수 또한 같이 쌓이기 때문에, 메모리를 많이 사용한다.

09-11. 헤더파일 만드는 방법

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my_print_function.h와 같이, 원하는 함수들을 저장해둔 헤더파일을 만들 수 있다. 헤더파일의 제목은 파일이 가지는 함수들을 잘 나타내는 것으로 설정한다.

#pragma once라는 것은 header guard로, 이는 추후에 다룰 예정이다.

main.c에서 만들어둔 함수들을 헤더파일로 옮겨보자. 다음은 header file이다.

#pragma once 
#include <stdio.h>

void print_hello()
{
    printf("hello \n");
    //many more lines
}

void print_hi()
{
    printf("Hi \n");

}

void print_str(char* str)
{
    printf("%s\n", str);
}

이제 main함수에서 #include "my_print_functions.h" 다음과 같이 헤더파일을 include해주면 외부 파일에서 함수들을 호출하여 run할 수 있다.

다음은 main.c 코드이다.

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
//#include <stdio.h> header file에서 이미 include했기 때문에 필요없다.
#include "my_print_functions.h"

int main()
{
    print_hello();
    print_hi();

    print_hello();
    print_hi();

    print_str("No one lives forever.");
    print_str("Valar morghulis");

    return 0;
}

헤더파일과 동일한 제목의 c file을 하나 생성하여 이를 저장한다.

다음은 my_print_functions.c 파일의 코드이다.

#include "my_print_functions.h"

void print_hello()
{
    printf("hello \n");
    //many more lines
}

void print_hi()
{
    printf("Hi \n");

}

void print_str(char* str)
{
    printf("%s\n", str);
}

여기서 헤더파일은 프로토타입 선언만 하듯이 수정해준다. 헤더파일은 일종의 목차, 차례 역할을 한다!!

#pragma once 
#include <stdio.h>

void print_hello();

void print_hi();

void print_str(char* str);

//assume that we have many more longer functions

09-12. 포인터의 작동 원리

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앞 강의 컴퓨터의 작동 원리를 보았다면, 포인터도 잘 이해할 것이다.

&를 통해 우리가 알고 싶어하는 주소값을 알 수 있다. 단항연산자로 작동하게 된다.

주소값을 저장하는 변수를 선언할 때는 변수의 이름 앞에 을 붙여주면 된다! 앞에 int가 붙어있는 경우, int형 변수의 주소를 저장할 수 있다. a_ptr도 변수라는 점이 중요하다! *이들도 어떤 값을 저장하는 변수이기 때문에, 메모리에 공간을 가지고 있다.** 그리고 그 메모리에 주소값을 저장하는 것이다.

포인터 변수는 주소의 '값'을 저장한다. 이는 다른 메모리 공간이나 그 공간에 저장된 데이터(or object)를 간접적으로 가리키는 역할을 한다. 여기서 pointer라는 개념의 어원이 나온다.

09-13. 포인터의 기본적인 사용방법

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int main()
{
    int a, b;

    a=123;

    int *a_ptr; // * : asterisk

    a_ptr = &a; // & : address of operator

    printf("%d %d %p \n", a, *a_ptr, a_ptr);

    *a_ptr = 456; // *: re-direction or de-referencing

    printf("%d %d %p \n", a, *a_ptr, a_ptr);

    b = *a_ptr; // int b 변수에 a_ptr 대입하기

    printf("%d \n", b);

    *a_ptr = 789;

    printf("%d \n",b);
    printf("%d %d %p %p\n", a, *a_ptr, a_ptr, &b); // a,b 주소가 다름을 확인할 수 있다.

}

09-14. 포인터와 코딩 스타일

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포인터는 문법과 연관하여 주의할 점이 있다. 코딩 스타일은 협업하는 사람과 정하거나 회사에서 정해진 규칙대로 하면 된다.

// int a_ptr vs int a_ptr

09-15. NULL pointer와 런타임 에러

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포인터 변수를 초기에 초기화를 해 주지 않으면 쓰레기 값이 들어가 있을 것이다. 그 쓰레기 값도 메모리 주소로 여겨져서 사용될 것이다. 이 쓰레기 주소를 따라서 간들, 잘못된 주소를 출력하여 문제가 생길 것이다.

이를 방지하기 위해서는 NULL pointer를 사용하여 해결한다.

int main()
{

    int a =1234;
    printf("%p \n", &a);
    printf("%d \n", a);

    // int *ptr;

    // printf("%p \n", ptr);
    // printf("%p \n", *ptr);

    int *safer_ptr = NULL;

    int b;

    scanf("%d", &b);

    if (b%2==0)
        safer_ptr = &a;

    if (safer_ptr != NULL)
        printf("%p \n", safer_ptr);

    if (safer_ptr != NULL)
        printf("%d \n", *safer_ptr);

    return 0;
}

b에서 1을 읿력받는다고 하더라도 safer_ptr이라는 변수는 NULL값을 갖고 있을 것이다. 그렇기 때문에, 아래와 같이 NULL 값이면 사용하지 않게 할 수 있다.

09-16. 디버거로 메모리 들여다보기

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#include <stdio.h>

int main()
{
    int a=3, b=5, c=7, d=9;
    int *a_ptr = &a, *b_ptr = &b, *c_ptr = &c, *d_ptr = &d;

    printf("%p %p %p %p", &a, &b, &c, &d );

    return 0;
}

09-17. 포인터 변수의 크기

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void main()
{
    char a;
    float b;
    double c;

    char* ptr_a = &a;
    float* ptr_b = &b;
    double* ptr_c = &c;

    printf("%zd %zd %zd \n", sizeof(a), sizeof(b), sizeof(c));
    printf("%zd %zd %zd \n", sizeof(ptr_a), sizeof(ptr_b), sizeof(ptr_c));
    printf("%zd %zd %zd \n", sizeof(&a), sizeof(&b), sizeof(&c));
    printf("%zd %zd %zd \n", sizeof(char*), sizeof(float*), sizeof(double*));
}

다음과 같이 결과가 나온다. x86, x64에 따라 결과가 다르게 나온다!

이번 강의에서는 다양한 자료형에 대한 포인터 변수들이 모두 size가 같다 라는 것을 확인해보았다. 메모리 주소의 값을 저장하는 것이 포인터 변수이기 때문에, 이러한 성질이 나타난다.

09-18. 포인터형 매개변수

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int main()
{
    int a= 123;
    int b=456;
    //swap code
    int temp = a;
    a = b;
    b = temp;

    printf("%d %d\n", a, b);

    return 0;
}

다음과 같이 두 변수를 swap하는 기능은 매우 자주 사용한다. 따라서, 이를 함수로 만들어두면 좋을 것이다.

void swap(int* a, int* b)
{   
    printf("%p %p \n", a, b);

    int temp = *a;
    *a = *b;
    *b = temp;
}

int main()
{
    int a= 123;
    int b= 456;
    //swap code
    int* a_ptr = &a;
    int* b_ptr = &b;

    printf("%p %p\n", &a, &b);

    swap(a_ptr, b_ptr);

    printf("%d %d\n", a, b);
    return 0;
}

다음과 같이 포인터를 이용하여 주소값을 바꿔준다.

포인터의 중요한 용법으로써, 함수의 매개변수로써의 포인터를 사용하는 방법에 대해 알아보았다.

파이썬, 자바 등에서는 이렇게 코딩하지 않는다. 다만, 모든 일에는 대가를 치뤄야 한다. 속도가 느려진다. 결국, 효율이 높은 프로그램을 작성하기 위해서는 포인터 혹은 그에 상응하는 무언가를 사용해야 할 일이 많이 있다.

따라서, 초보인 때일수록 포인터 개념을 명확히 이해하고 계속 공부해나가면 여러가지로 도움이 될 것이다.