Call By Value, Call By Address, Call By Reference 란?

게시 2023.09.19 업데이트 2024.05.25

By 고양이 사서 13 분읽는 시간

Call by Value, Call by Address, Call by Reference는 함수 호출 메커니즘에서 매개변수를 전달하는 세 가지 주요 방식으로, 실제 매개변수와 형식 매개변수가 어떻게 상호작용 하는지, 어떻게 쓰이는지에 따라 구분한 방식입니다.

‘Call by’는 함수 호출을 의미하며 Value, Address, Reference는 각각 값, 주소, 참조 전달을 의미합니다.

실제 매개변수란 함수 호출시 실제 인자로 넣어주는 변수
형식 매개변수는 함수 선언시 매개변수로 정의한 변수

Call by Value

함수가 호출될 때 실제 매개변수의 값이 형식 매개변수에 복사됩니다.

따라서, 값을 복사하기 때문에 실제 매개변수와 형식 매개변수는 각각 다른 메모리 주소를 가지게 되고, 하나를 변경해도 다른 하나에는 영향을 미치지 않습니다.

장점

원본 데이터가 변경되지 않으므로, 데이터 무결성(data integrity)을 유지하는 데 유용합니다.
크기가 작은 기본 데이터 타입(int, float 등)을 사용할 때 복사의 비용이 크지 않으므로 Address나 Reference보다 유용할 수 있습니다.

단점

크기가 큰 데이터의 경우 메모리 사용량이 증가할 수 있습니다.

  
#include <iostream>
using namespace std;

void callByValue(int a)
{
	a = 2;
	cout << "callByValue: " << a << endl;
}

int main()
{
	int a = 1;
	callByValue(a);
	cout << "main a: " << a << endl;
}

Call by Address

실제 매개변수의 주소 값을 형식 매개변수에 전달하여 저장하는 방식입니다.

형식 매개변수가 실제 매개변수의 주소를 저장하므로 두 매개변수는 간접적으로 같은 변수를 공유합니다. 따라서, 형식 매개변수에서의 값 변경이 실제 매개변수에도 반영됩니다.

장점

크기가 큰 데이터를 사용할 때, 메모리를 효율적으로 사용할 수 있습니다.
데이터의 복사 비용 없이 원본 데이터를 쉽게 변경할 수 있습니다.

단점

포인터를 사용하므로 코드가 복잡해질 수 있습니다.
장점이자 단점으로 하나 더 추가하자면, 원본 데이터가 쉽게 변경될 수 있으므로 데이터 무결성(data integrity)을 유지할 수 없을 수 있습니다.

  
#include <iostream>
using namespace std;

void callByAddress(int* a)
{
	*a = 3;
	cout << "callByAddress: " << *a << endl;
}

int main()
{
	int a = 1;
	callByAddress(&a);
	cout << "main a: " << a << endl;
}

Call by Reference

실제 매개변수를 형식 매개변수에 직접적으로 전달해 실제 매개변수와 형식 매개변수가 같은 메모리 주소를 직접적으로 공유합니다.

따라서, 형식 매개변수를 실제 데이터를 다루듯이 다룰 수 있습니다.

다만, 참조를 잘 못 사용해 임시 변수가 생성되는 경우에는 의도한대로 동작하지 않을 수 있습니다.

참조와 포인터 글 보기

Call by Reference 의 장단점은 Call by Address와 비슷합니다.

장점

크기가 큰 데이터를 사용할 때, 메모리를 효율적으로 사용할 수 있습니다.
원본 데이터를 다루듯이, 데이터의 복사 비용 없이 원본 데이터를 쉽게 변경할 수 있습니다.

단점

원본 데이터가 쉽게 변경될 수 있으므로 데이터 무결성(data integrity)을 유지할 수 없을 수 있습니다.

  
#include <iostream>
using namespace std;

void callByReference(int& a)
{
	a = 4;
	cout << "callByReference: " << a << endl;
}

int main()
{
	int a = 1;
	callByReference(a);
	cout << "main a: " << a << endl;
}

Call by Address와 Call by Reference의 차이

포인터와 참조의 차이

만약, 이 두 방식의 차이점을 좀 더 찾고 싶어서 주소를 출력해 봤다면 다음과 같은 결과를 얻을 수 있을 것 같습니다.

  
#include <iostream>
using namespace std;

void callByAddress(int* a)
{
	cout << "callByAddress:\t\t" << &a << "\n";
	cout << "callByAddress-value:\t" << a << "\n\n";
}

void callByReference(int& a)
{
	cout << "callByReference:\t" << &a << "\n\n";
}

int main()
{
	int a = 1;
	cout << "main a Address:\t\t" << &a << "\n\n";
	callByAddress(&a);
	callByReference(a);
}

메인 주소와 참조 주소, 포인터가 가지고 있는 주소는 같지만, 포인터 자체의 주소는 다릅니다.

포인터는 주소를 담는 변수이고 참조는 원본 데이터의 실제 이름 대신 사용할 수 있는 별칭(alias)으로 원본 데이터 그 자체를 가리킨다고 볼 수 있기 때문입니다.

위에서 이 둘을 설명할 때에도 Call by Address는 실제 매개변수의 주소 값을 형식 매개변수가 저장하기 때문에, 형식 매개변수의 주소 값은 원본과 다르고 형식 매개변수가 원본의 주소 값을 저장한다고 볼 수 있습니다.

Call by Reference는 실제 매개변수와 형식 매개변수가 같은 메모리 주소를 직접적으로 공유한다고 했기 때문에, 원본과 형식 매개변수의 주소 값은 같아 보입니다.

이것이 포인터와 참조의 차이라고 볼 수 있고, 주소로 부른다는 Call by Address의 의미를 좀 더 명확히 알 수 있습니다.

로우 레벨(어셈블리)에서의 차이

이전 포스트에서 보면 참조와 포인터는 로우 레벨에서 볼 때 두 동작의 차이가 거의 없다고 설명했습니다.

참조와 포인터 (Reference & Pointer)

그러나 디스어셈블리의 결과를 보면 조금 달라 보이기도 합니다.

callByAddress의 lea rdx,[a] 명령어는 “Load Effective Address”의 약자로, 이 명령어는 실제 데이터를 로드하는 것이 아니라 주소 자체를 로드합니다. 즉, [a]의 주소를 rdx 레지스터에 저장합니다.

callByReference의 mov rdx,qword ptr [a] 명령어는 [a]에서 8바이트(64비트, qword) 데이터를 읽어 rdx 레지스터에 저장합니다. 즉, [a] 메모리 주소에 저장된 실제 값을 로드합니다.

따라서, lea는 주소 계산만 수행하여 주소만 가져오는 것이며, mov는 실제 데이터를 메모리에서 읽어 레지스터에 저장하므로 Call by Address와 Call by Reference의 구분이 명확 한 것처럼 보일 수 있습니다.

하지만 실제 두 동작은 차이가 거의 없다.

하지만, 실제 값을 사용하는 부분을 보면 두 동작의 차이가 없음을 알 수 있습니다.

callByAddress에서 원본 주소를 가리키는 것과 callByReference에서 원본 주소를 가리키는 코드는 C++에서는 달라 보이지만, 로우 레벨(어셈블리)에서는 같은 것을 확인할 수 있습니다.

실제 데이터를 조작하는 부분을 보더라도 로우 레벨(어셈블리) 코드는 같은 것을 확인할 수 있습니다.

결론

사실, 참조(Reference)라는 개념이 C에서 없었고 C++에서 등장한 만큼 어셈블리 언어 자체에 큰 변화가 생기지 않았습니다.

즉, C++ 컴파일러가 어셈블리 코드를 생성할 때, 특별한 어셈블리 문법을 사용한게 아니라 기존의 포인터의 동작과 유사하게 만든다고 볼 수 있습니다.

따라서 참조(Reference)는 고수준 언어에서의 프로그래밍 편의성과 안전성을 높이기 위한 개념으로 보실 수 있습니다.

그러므로 Call by Address, Call by Reference의 차이는 다음과 같이 정리할 수 있을 것 같습니다.

Call by Address는 포인터를 사용하고 Call by Reference는 참조를 사용합니다.
Call by Address는 NULL 상태로 받을 수 있지만, Call by Reference는 유효한 객체를 받아야 합니다.
Call by Address는 함수 내에서 형식 매개변수의 주소를 변경할 수 있지만, Call by Reference는 주소를 변경할 수 없습니다.
Call by Address는 NULL을 받을 수 있기 때문에 함수 선언시 디폴트 인자로 NULL 또는 nullptr을 사용할 수 있습니다. (참조의 경우에는 오버로딩을 사용할 수 있습니다.)

이런 차이점들이 있다고 볼 수 있을 것 같습니다.

물론, 컴파일러의 최적화에 따라 로우 레벨(어셈블리)에서 포인터 연산에 약간의 오버헤드가 발생하는 경우가 있을 수 있습니다.

하지만, 그 성능의 차이가 크지 않을 것으로 보이고, 그보다 참조를 사용하는 이유는 안전성 때문이라고 생각합니다.

참고

포인터 (Pointer)

참조와 포인터 (Reference & Pointer)

풀스택 개발, C++

c 값 타입 데이터 참조 타입 함수 포인터