C++ 08.09 - 함수 포인터 (function pointer)

함수 포인터 (function pointer)

포인터가 다른 변수의 주소를 저장하는 변수라는 것을 배웠다. 이와 유사하게 함수 포인터(function pointer)는 함수를 가리키는 변수다. 즉, 함수의 주소를 저장하는 변수다.

int foo()
{
    return 5;
}

식별자 foo는 함수의 이름이다. 그러나 함수의 타입은 무엇일까? 함수는 고유한 l-value 함수 타입이다. 위 예제의 경우 정수(int)를 반환하고 매개 변수를 받지 않는 함수 타입이다. 변수와 마찬가지로 함수는 메모리의 할당된 주소에 있다.

() 연산자를 통해 함수를 호출하면, 호출되는 함수의 주소로 점프하여 실행한다.

int foo() // foo 코드는 메모리 주소 0x002717f0에서 시작한다.
{
    return 5;
}

int main()
{
    foo(); // 주소 0x002717f0로 점프한다.

    return 0;
}

함수 foo를 std::cout로 출력하면 0x002717f0가 출력된다.

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함수에 대한 포인터 (pointer to function)

비 상수 함수 포인터(non-const function pointer) 생성하는 문법은 C++에서 볼 수 있는 못생긴 문법 중 하나다.

// fcnPtr 는 인수가 없고 정수를 반환하는 함수에 대한 포인터다.
int (*fcnPtr)();

위 코드에서 fcnPtr은 인수가 없고 정수를 반환하는 함수에 대한 포인터다.(즉, 함수 포인터) 그러므로 이 타입과 같은 함수를 가리킬 수 있다. 괄호가 필요한 이유는int* fcnPtr()과 같은 코드는 정수에 대한 포인터를 반환하는 인수가 없는 함수 fcnPtr의 전방 선언으로 해석되기 때문에 우선순위를 위해서다.

또한, 오류를 발생시키는 흔한 실수는 아래와 같다:

fcnPtr = goo();

상수 함수 포인터를 만들기 위해서는 * 뒤에 const 키워드를 사용하면 된다.

int (*const fcnPtr)();

만약 int 앞에 const가 오면 함수가 const int를 반환한다는 것을 의미한다.

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함수 포인터에 함수 할당

함수 포인터는 함수로 초기화 할 수 있다.

int foo()
{
    return 5;
}

int goo()
{
    return 6;
}

int main()
{
    int (*fcnPtr)() = foo; // fcnPtr points to function foo
    fcnPtr = goo; // fcnPtr now points to function goo

    return 0;
}

C++는 기본 자료형과 달리 필요할 경우 함수를 함수 포인터로 암묵적으로 변환하므로 주소 연산자 &를 사용할 필요가 없다.

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함수 포인터를 사용해서 함수 호출

함수 포인터로 실제 함수를 호출할 수 있다. 호출하는 두 가지 방법이 있는데, 첫 번째는 명시적인 역참조 방법이다.

int foo(int x)
{
    return x;
}

int main()
{
    int (*fcnPtr)(int) = foo; // fcnPtr에 foo함수를 할당한다.
    (*fcnPtr)(5); // foo(5)를 fcnPtr로 호출한다.

    return 0;
}

두 번째 방법은 암시적 역참조를 통한 방법이다.

fcnPtr(5); // foo(5)를 fcnPtr로 호출한다.

일반적인 함수 이름은 함수의 포인터가 되기 때문에 암시적 추론을 통한 역참조 방법은 일반 함수 호출과 똑같이 생겼다. 현대 컴파일러는 대부분 이 방법을 지원한다.

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다른 함수의 인자로 함수 전달하기 (Passing functions as arguments to other functions)

함수 포인터의 가장 유용한 기능은 함수를 다른 함수에 전달하는 것이다. 다른 함수에 대한 인수로써 사용되는 함수를 콜백 함수라고 부르기도 한다.

배열 정렬을 생각해보자. 정렬을 수행하는 기본적인 함수에서 사용자가 오름차순으로 할지 내림차순으로 할지 정할 수 있는 함수를 예로 한다.

모든 정렬 알고리즘은 유사한 개념으로 작동한다. 숫자 목록을 통해 반복되고, 숫자의 쌍을 비교하며, 그 비교 결과를 바탕으로 숫자의 순서를 바꾼다. 결과적으로, 비교를 변경함으로써 나머지 분류 코드에 영향을 주지 않고 함수의 정렬 방식을 변경할 수 있다.

void SelectionSort(int* array, int size)
{
    for (int i = 0; i < size; ++i)
    {
        int smallestIndex = i;

        for (int j = i + 1; j < size; ++j)
        {
            if (array[smallestIndex] > array[j]) // 비교 부분
                smallestIndex = j;
        }

        std::swap(array[smallestIndex], array[j]);
    }
}

위에서 비교 부분을 함수를 이용해서 대체할 수 있다. 비교 함수는 두 개의 정수를 비교한 다음 부울 값을 반환함으로써 교체 여부를 나타낼 수 있다.

bool ascending(int x, int y)
{
    return x > y; // 첫 번째 요소(x)가 두 번째 요소(y) 보다 크면 교환한다.
}

다음은 ascending() 함수를 이용해서 비교를 수행하는 선택 정렬 함수다.

void SelectionSort(int* array, int size)
{
    for (int i = 0; i < size; ++i)
    {
        int smallestIndex = i;

        for (int j = i + 1; j < size; ++j)
        {
            if (ascending(array[sammlestIndex], array[j])) // 비교 부분
                smallestIndex = j;
        }

        std::swap(array[smallestIndex], array[j]);
    }
}

이제 하드코딩된 비교 함수를 사용하는 대신 호출자가 비교 작업을 결정할 수 있도록 함수 포인터를 사용해보자.

호출자의 비교 함수는 두 정수를 비교하고 부울 값을 반환하므로 이러한 함수에 대한 포인터는 아래와 같을 것이다.

bool (*comparisonFcn)(int, int);

따라서 호출자가 정렬 함수에 원하는 비교 함수의 포인터를 세 번째 매개 변수로 전달하도록 허용한 다음 호출자의 함수를 사용하여 비교를 수행할 수 있다. 다음은 함수 포인터 매개변수를 사용하여 사용자 정의 비교를 수행하는 선택 정렬이다.

void SelectionSort(int* array, int size, bool (*comparisonFcn)(int, int))
{
    for (int i = 0; i < size; ++i)
    {
        int smallestIndex = i;

        for (int j = i + 1; j < size; ++j)
        {
            if (comparisonFcn(array[sammlestIndex], array[j])) // 비교 부분
                smallestIndex = j;
        }

        std::swap(array[smallestIndex], array[j]);
    }
}

bool ascending(int x, int y)
{
    return x > y; // 오름차순
}

bool descending(int x, int y)
{
    return x < y; // 내림차순
}

void printArray(int *array, int size)
{
    for (int index=0; index < size; ++index)
        std::cout << array[index] << " ";
    std::cout << '\n';
}

int main()
{
    int array[9] = { 3, 7, 9, 5, 6, 1, 8, 2, 4 };

    // 내린차순 선택정렬
    selectionSort(array, 9, descending);
    printArray(array, 9);

    // 오름차순 선택정렬
    selectionSort(array, 9, ascending);
    printArray(array, 9);

    return 0;
}

9 8 7 6 5 4 3 2 1
1 2 3 4 5 6 7 8 9

이제 호출자가 원하는 비교 방식으로 정렬할 수 있다.

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함수 포인터를 더 예쁘게 만들기

typedef를 사용해서 함수 포인터를 일반 변수처럼 보이게 할 수 있다.

typedef bool (*validateFcn)(int, int);

위 코드는 인수로 두 개의 int를 가지고 bool 반환하는 validateFcn라는 함수 포인터를 정의한다.

이제 이렇게 하는 대신:

bool validate(int x, int y, bool (*fcnPtr)(int, int)); // ugly

이렇게 할 수 있다.

bool validate(int x, int y, validateFcn pfcn) // clean

C++ 11에서는 using을 사용해서 함수 포인터 타입에 대한 별칭을 만들 수 있다.

using validateFcn = bool(*)(int, int); // type alias

typedef보다 좀 더 자연스럽게 읽을 수 있다.

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C++ 11에서의 std::function

C++ 11에서는 표준 라이브러리 <function> 헤더에 정의되어 있는 std::function을 이용해서 함수 포인터를 정의할 수 있다.

#include <functional>
bool validate(int x, int y, std::function<bool(int, int)> fcn); //std::function<반환타입(인수..)>

보시다시피, 반환 타입과 매개 변수는 꺾쇠(<>)안에 들어 있다. 매개 변수를 꺾쇠 속 괄호 안에 둠으로써 좀 더 명시적으로 읽을 수 있다. 매개 변수가 없다면 괄호 안의 내용을 비워두면 된다.

#include <functional>
#include <iostream>

int foo()
{
    return 5;
}

int goo()
{
    return 6;
}

int main()
{
    std::function<int()> fcnPtr; // int를 반환하고 매개 변수가 없는 함수 포인터 변수 fctPtr 선언
    fcnPtr = goo; // fcnPtr은 함수 goo를 가리킨다.
    std::cout << fcnPtr(); // 일반적인 함수처럼 함수를 호출할 수 있다.

    return 0;
}

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함수 포인터는 주로 함수를 다른 함수에 전달할 때 유용하다. 함수 포인터를 선언하는 원시적인 방법은 보기 나쁘고 오류를 발생시키기 쉽우므로 typedef, using 또는 std::function을 사용하는 게 좋다.

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 번역: 이 포스트의 원문은 https://www.learncpp.com/cpp-tutorial/78-function-pointers/ 입니다.