함수의 정의와 호출

지금까지의 프로그램은 모든 코드를 main 안에 적었습니다. 프로그램이 커지면 main이 길어져 흐름을 따라가기 어렵고, 같은 계산이 여러 곳에 필요할 때마다 코드를 복사해야 합니다. 복사한 코드에서 실수를 발견하면 복사한 곳을 모두 찾아 고쳐야 합니다.

함수(function)는 하나의 작업을 하는 코드에 이름을 붙인 단위입니다. 필요한 곳에서 이름으로 호출하면 그 작업을 실행하고, 결과가 있으면 호출한 곳으로 돌려줍니다. 이 글은 함수를 정의하고 호출하는 방법, 호출 한 번에서 매개변수와 반환값이 어떻게 오가는지, 선언과 정의의 순서를 다룹니다.

함수의 구성

함수 정의는 반환 타입, 이름, 매개변수 목록, 본문으로 이루어집니다. 아래 형식의 첫 줄은 함수를 쓰는 쪽이 알아야 할 정보로, 무엇을 넘기면 어떤 타입의 값을 돌려받는지를 알려 줍니다. 중괄호 안의 본문은 그 일을 실제로 어떻게 하는지를 적는 곳입니다.

반환타입 함수이름(매개변수타입1 이름1, 매개변수타입2 이름2) {
    // 본문
    return 결과;
}

반환 타입은 함수가 호출한 곳에 돌려줄 값의 타입이며, 돌려줄 값이 없으면 void를 씁니다. 매개변수(parameter)는 호출할 때 넘겨받는 값을 담는 변수이고, 받을 값이 없으면 괄호를 비워 둡니다. 본문에서 return 식;을 실행하면 그 값을 결과로 함수를 끝내며, void 함수는 본문 끝에 도달하거나 return;을 만나면 끝납니다.

정의하고 호출하기

함수를 호출할 때는 이름 뒤 괄호 안에 매개변수에 넘길 값인 인자(argument)를 순서대로 적습니다. 아래 프로그램은 값을 돌려주는 addNumbers와 돌려주지 않는 printMessage를 정의하고, main에서 변수, 정수 리터럴, 문자열 리터럴을 인자로 넘겨 호출합니다. addNumbers의 결과는 변수에 담기도 하고 바로 출력하기도 하므로, 호출식 자체가 하나의 값이라는 점을 보세요.

#include <iostream>
#include <string>

int addNumbers(int num1, int num2) {
    int sum = num1 + num2;
    return sum;
}

void printMessage(std::string msg) {
    std::cout << "message: " << msg << '\n';
}

int main() {
    int a = 10;
    int b = 20;

    int result = addNumbers(a, b);
    std::cout << "sum " << result << '\n';
    std::cout << addNumbers(5, 7) << '\n';

    printMessage("functions are reusable");
}

sum 30
12
message: functions are reusable

addNumbers(a, b)를 호출하면 매개변수 num1이 a의 값 10으로, num2가 b의 값 20으로 초기화된 뒤 본문이 실행됩니다. return sum;이 돌려준 30은 호출식 addNumbers(a, b)의 값이 되어 result를 초기화합니다. addNumbers(5, 7)처럼 리터럴을 넘길 수도 있고, 호출식의 값 12를 바로 출력에 쓸 수도 있습니다. printMessage는 void 함수여서 돌려주는 값이 없으므로, 호출식을 변수에 대입하거나 출력에 쓸 수 없습니다.

호출 한 번 따라가기

인자 a와 매개변수 num1은 서로 다른 변수입니다. 여기서 쓰는 값 매개변수는 호출할 때마다 새로 만들어져 인자의 값으로 초기화되고, 함수가 끝나면 사라집니다. 그래서 함수 안에서 매개변수를 바꿔도 호출한 쪽의 변수는 바뀌지 않습니다.

#include <iostream>

int nextValue(int value) {
    value += 1;
    return value;
}

int main() {
    int original = 4;
    int first = nextValue(original);
    int second = nextValue(first);
    std::cout << original << ' ' << first << ' ' << second << '\n';
}

4 5 6

첫 호출은 새 value를 4로 초기화해 5로 만든 뒤 돌려주고, original은 4 그대로입니다. 둘째 호출은 또 다른 value를 first의 값 5로 초기화해 6을 돌려줍니다. 호출한 쪽의 변수를 함수가 직접 바꾸게 하는 방법은 참조자에서 다룹니다.

반환은 화면에 출력하는 것이 아니라, 호출식에 결과를 넘겨주는 것입니다. nextValue 안에는 출력문이 없으므로, main이 돌려받은 값을 출력하지 않으면 계산한 숫자는 화면에 나타나지 않습니다. 결과를 계산하는 함수와 결과를 출력하는 함수를 나누어 두면, 계산 함수를 출력이 필요 없는 곳에서도 다시 쓸 수 있습니다.

더 깊이: 인자는 실제로 어디로 전달될까

매개변수가 호출마다 새로 만들어진다는 것은 언어의 규칙이고, 그 값을 기계어 수준에서 어떻게 넘길지는 플랫폼의 호출 규약(calling convention)이 정합니다. GCC는 Windows를 대상으로 할 때 Microsoft의 ABI를 기본으로 쓰므로, MSYS2의 GCC로 만든 x86-64 프로그램은 Microsoft가 문서로 정한 x64 호출 규약을 따릅니다. 이 규약에서는 왼쪽부터 네 번째 자리까지의 인자가 자리에 따라 정해진 레지스터로 넘어갑니다. 정수와 포인터는 RCX, RDX, R8, R9를, 실수는 XMM0부터 XMM3을 쓰고, 다섯째 인자부터는 스택에 놓입니다. 예를 들어 f(int a, double b)의 b는 둘째 자리이므로 XMM1로 갑니다. 그래서 addNumbers(a, b)의 두 인자도 메모리를 거치지 않고 레지스터로 전달될 수 있습니다.

호출하는 쪽은 인자가 네 개보다 적더라도, 레지스터 인자 네 개를 저장할 수 있는 32바이트의 그림자 공간(shadow store)을 스택에 마련해야 합니다. 64비트에 들어가는 정수나 포인터 결과는 RAX로, double 같은 실수 결과는 XMM0으로 돌아옵니다. 크기가 1, 2, 4, 8바이트가 아닌 구조체를 인자로 넘길 때는 호출하는 쪽이 만든 복사본의 주소를 넘기고, RAX에 담을 수 없는 구조체를 돌려받을 때는 호출하는 쪽이 결과를 담을 메모리를 마련해 그 주소를 숨은 첫 인자로 넘깁니다.

이 규칙은 운영체제마다 다르며, GCC 문서도 Windows가 아닌 시스템에서는 System V ABI가 기본이라고 적고 있습니다. 그래서 같은 C++ 소스라도 Windows와 Linux에서 인자를 담는 레지스터가 다르므로, 어셈블리를 읽거나 다른 언어와 함수를 주고받을 때는 대상 플랫폼의 규약을 확인합니다. 언어의 관점에서는 매개변수가 인자의 사본이라는 규칙만 지켜지면 되므로, 이 차이가 프로그램의 결과를 바꾸지는 않습니다.

인자를 계산하는 순서

인자가 여러 개이면 각 인자를 계산해 매개변수를 초기화한 뒤 본문을 실행합니다. 하지만 어느 인자를 먼저 계산하는지는 정해져 있지 않습니다. 연산자 우선순위에서 본 f() + g()처럼, addNumbers(f(), g())에서도 f()와 g() 가운데 무엇이 먼저 호출될지는 컴파일러가 정합니다.

두 인자의 계산이 서로 섞이지는 않지만 순서가 정해지지 않았으므로, 같은 변수를 바꾸거나 화면에 출력하는 함수를 두 인자에 함께 넣으면 결과가 컴파일러마다 달라질 수 있습니다. 순서가 중요하면 int x = f(); int y = g(); addNumbers(x, y);처럼 문장을 나누어 순서를 코드에 드러냅니다.

선언과 정의의 순서

C++에서는 함수를 호출하는 곳보다 앞에 그 함수의 선언이 보여야 합니다. 정의를 호출보다 앞에 두면 정의가 선언 역할도 하지만, 정의를 뒤에 두려면 먼저 본문 없이 세미콜론으로 끝나는 함수 선언(function declaration)을 적습니다. 이런 선언을 함수 원형(function prototype)이라고도 부릅니다.

#include <iostream>

int multiply(int left, int right); // 선언

int main() {
    int result = multiply(10, 3);
    std::cout << "product " << result << '\n';
}

int multiply(int left, int right) { // 정의
    return left * right;
}

product 30

선언에는 반환 타입과 매개변수 타입이 있어야 하며, 매개변수 이름은 int multiply(int, int);처럼 생략해도 됩니다. 선언과 정의의 반환 타입과 매개변수 타입은 같아야 합니다. 아래 그림은 이 프로그램을 두 구획으로 나누어 보여 줍니다.

// 선언
int multiply(int, int);

int calculate() {
    // 호출
    return multiply(10, 3);
}

int multiply(int left, int right) {
    return left * right; // 정의
}

// 선언
int multiply(int, int);

int calculate() {
    // 호출
    return multiply(10, 3);
}

int multiply(int left, int right) {
    return left * right; // 정의
}

컴파일 구획에서 컴파일러는 호출보다 앞의 선언을 보고 multiply(10, 3)의 인자 개수와 타입이 맞는지 검사하며, 정의는 프로그램 어딘가에 있어야 합니다. 실행 구획에서는 left가 10, right가 3으로 초기화되고, 본문이 곱 30을 계산해 호출식의 값으로 돌아갑니다. 소스에서 정의가 main보다 뒤에 있다는 것과, 실행할 때 main이 먼저 시작해 multiply를 부른다는 것은 서로 다른 이야기입니다.

선언 없이 뒤에 정의된 함수를 호출하면 컴파일러가 그 이름을 알지 못해 컴파일 오류가 납니다. 반대로 선언은 있지만 정의가 어디에도 없으면, 컴파일과 실행 과정의 twice 예처럼 컴파일은 성공하고 링크 단계에서 정의를 찾지 못해 실패합니다. 큰 프로젝트에서는 선언을 헤더 파일에, 정의를 소스 파일에 두어 여러 파일이 같은 선언을 함께 씁니다.

반환값이 있는 함수는 모든 경로에서 반환합니다

반환 타입이 void가 아닌 함수는 끝나는 모든 경로에서 return 식;을 실행해야 합니다. 값을 돌려주지 않고 본문 끝에 도달하면 정의되지 않은 동작이며, 예외는 return이 없으면 0을 돌려주는 main뿐입니다.

int sign(int x) {
    if (x > 0) {
        return 1;
    }
    if (x < 0) {
        return -1;
    }
    return 0;
}

마지막 return 0;이 없으면 x가 0일 때 어떤 return도 만나지 않고 본문이 끝납니다. GCC는 C++에서 기본으로 켜진 -Wreturn-type으로 값을 돌려주지 않는 경로를 경고하므로, 이 경고는 실수의 신호로 보고 반드시 고칩니다. void 함수에서는 return;을 조건문 안에 두어, 더 할 일이 없을 때 일찍 끝낼 수 있습니다.

함수로 나눌지 판단하기

함수로 나누면 이름이 생기고, 그 이름이 호출하는 곳에서 코드의 의도를 설명합니다. 다만 반복된다는 이유 하나만으로 나누기보다, 아래 그림의 질문처럼 한 문장으로 설명되는 작업인지, 필요한 값을 매개변수로 받고 결과를 짧게 돌려줄 수 있는지, 따로 고치거나 확인할 가치가 있는지를 함께 봅니다.

const auto total =
    calculateTotal(items);
printResult(total);

한 번만 쓰이는 짧고 명백한 식을 억지로 함수로 빼면, 읽는 사람이 호출부와 정의 사이를 오가야 해서 오히려 읽기 어려워집니다. 반대로 긴 본문의 한 단계를 이름 있는 함수로 빼면, main에는 단계의 이름만 남아 전체 흐름이 잘 보입니다. 함수가 지나치게 많은 매개변수를 받아야 한다면, 나누는 위치가 알맞은지 다시 생각해 봅니다.

정리

• 함수는 반환 타입, 이름, 매개변수, 본문으로 정의하며, 돌려줄 값이 없으면 반환 타입을 void로 둡니다.
• 호출하면 각 매개변수가 대응하는 인자로 초기화된 뒤 본문이 실행되고, return의 값이 호출식의 값이 됩니다.
• 값 매개변수는 호출마다 새로 만들어지므로, 함수 안에서 바꿔도 호출한 쪽의 변수는 그대로입니다.
• 여러 인자를 계산하는 순서는 정해져 있지 않으므로, 순서에 따라 결과가 바뀌는 인자를 함께 넘기지 않습니다.
• 호출보다 앞에 선언이 보여야 하며, 선언만 있고 정의가 없으면 링크 단계에서 실패합니다.
• void가 아닌 함수가 값을 돌려주지 않고 끝나면 정의되지 않은 동작이므로, -Wreturn-type 경고를 반드시 고칩니다.

연습 문제

1. 인자 하나 바꾸기

next_value.cpp에서 둘째 호출의 인자만 first에서 original로 바꾸면 출력은 무엇인가요? 마지막 출력문을 지우면 두 호출이 계산한 숫자는 화면에 나타나나요?

2. 빠진 반환

sign.cpp에서 마지막 return 0;을 지우면 sign(5), sign(-3), sign(0)은 각각 어떻게 되나요?

3. 어느 단계의 실패인가

declare_first.cpp에서 (가) 맨 위의 선언을 지운 경우와 (나) 선언은 두고 맨 아래의 정의를 지운 경우, 각각 어느 단계에서 실패하나요?

다음 글 함수 오버로딩에서는 같은 이름의 함수를 매개변수만 다르게 여러 개 정의하고, 컴파일러가 호출에 맞는 함수를 고르는 방법을 다룹니다.