C에서부터 겉핥기 해보는 메소드 디스패치(+ 함수 포인터)

[kelly-chui]

• Introduction
• What is a function pointer?
• OOP in C
  • introducing a vtable
  • Method Dispatch in Objective-C
• Why is a closure a first class object?
  • Dynamic Dispatch in Swift

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Introduction

C++로 PS를 풀면 가끔 함수 포인터를 써야하는 경우가 생깁니다. Swift에서 클로저를 이용하는 것과 비슷한데, 주변 값을 캡처할 수 없다는 특징이 있어요. 함수 포인터는 C에도 존재하는 개념이어서 번뜩 이런 생각이 떠올랐습니다.

함수 포인터와 C 스타일 스트럭처를 사용하면 C언어에서도 메소드를 구현하고, OOP가 가능하지 않을까?

생각이 계속 확장되다 보니 Objective-C나 **C++**의 실제 클래스 구현도 이러지 않을까? 라는 생각이 들었습니다. 결국 vtable…캡처…1급 객체 이런 식으로 사고가 뻗어나가서 여러 개념들을 이을 수 있었어요.

이 글의 핵심 키워드는 다음과 같습니다:

• ⭐️함수 포인터⭐️
• 클로저
• 캡처
• 메모리 구조

What is a function pointer?

모든 것은 C에서 시작합니다. C에서 함수 포인터란 함수가 저장되어 있는 코드 영역의 주소를 가리키는 포인터에요. 여러분들은 모두 포인터 잘 다루시기 때문에 포인터에 대한 설명은 깊게 하지 않겠습니다.

아래는 변수 포인터 int * var_pointer와 함수 포인터 int (*func_pointer)가 각각 가리키는 메모리 주소의 영역을 나타낸 그림입니다:

OOP in C

C는 절차적(Procedural) 프로그래밍 언어라고 많이 표현되는데요. 과장이 아닌게 C에도 스트럭처가 존재하지만, 이 스트럭처는 단순히 여러 변수를 묶는 정도의 역할밖에 하지 못합니다. Swift 스트럭처와 구분하기 위에 아래부턴 C 스트럭처라고 하겠습니다.

하지만 포인터는 단순히 ‘메모리 주소 값’을 저장하는 변수이기 때문에 C 스트럭처에 함수 포인터를 포함할 수 있어요.

아래 코드는 자기 자신을 소개하는 함수인 intro_hgd를 구현하고, 이 함수를 가리키는 포인터 intro를 멤버로 포함하는 C 스트럭처 입니다:

#include <stdio.h>

// typedef는 typealias 같은거에요 -> void를 리턴하고 HGD 포인터를 받는 함수를 Method라 하겠다.
typedef void (*Method)(struct HGD*);

struct HGD {
    char name[10];
    Method intro;
};

void intro_hgd(struct HGD* self) {
    printf("My name is %s\n", self->name);
}

int main() {
    struct HGD me = {"Kelly", intro_hgd}; // 함수 이름은 곧 함수 포인터
    me.intro(&me); // "My name is Kelly"
    return 0;
}

me.intro(&me); 라인처럼 마치 C 스트럭처에 있는 메소드를 호출한 것 처럼 사용할 수 있게 되었습니다. 우리가 C++이나 Swift에서 쓰는 메소드와 다르게 약간 다른 점이 있다면 파라미터로 자기 자신을 넘겨줘야 하는데요. Python에서 본 것과 유사하죠?

이는 intro_hgd이 결국 외부 함수라서 자기 자신(self)를 캡처하지 못해서 입니다. 우리는 그냥 함수 포인터로 외부 함수를 호출한 것 뿐이니까요.

💡
TMI: Python이 클래스 메소드를 선언할 때 self를 쓰게 하는건 그냥 문법적 특징입니다. 파이썬 메소드는 캡처를 아주 잘 해요.

introducing a vtable

C++, Objective-C의 클래스도 C 스트럭처 기반으로 구현되었으며, 위의 방법과 유사한 방식으로 클래스와 메소드를 구현합니다. 가장 큰 다른점은 특히 C++은 클래스 내부에 있는 모든 메소드를 함수 포인터 배열의 형태로 관리합니다. 혹시 감이 오시나요? 이것이 바로 원시적인 vtable입니다.

아래 코드는 vtable을 통해서 함수 포인터를 관리하는 C 스트럭처를 구현한 코드입니다. 코드를 다 이해할 필요는 없어요. 그냥 ‘함수 포인터 배열을 가지고 있는 C 스트럭처’ 정도로만 이해해도 충분합니다:

#include <stdio.h>

// 메소드 인덱스 Enumeration (vtable 인덱스 관리용)
enum HGDMethodIndex {
    HGD_INTRO_METHOD = 0,
    HGD_METHOD_COUNT
};

// 타입 & 타입 별칭 정의
struct HGD;
typedef void (*HGDMethod)(struct HGD*);

// 스트럭처 정의 (원시 클래스라 해도 될 것 같아요)
struct HGD {
    char name[10];
    HGDMethod * vtable;  // 메소드 테이블 (함수 포인터 배열)
};

// 메소드 구현
void hgd_intro(struct HGD* self) {
    printf("My name is %s\n", self->name);
}

// 메소드 테이블 정의 (vtable)
HGDMethod HGD_VTABLE[HGD_METHOD_COUNT] = {
    [HGD_INTRO_METHOD] = hgd_intro
};

// 메인 함수
int main() {
    struct HGD me = {"Kelly", HGD_VTABLE};
    // 메소드 호출 (vtable을 통해)
    me.vtable[HGD_INTRO_METHOD](&me); // "My name is Kelly"
    return 0;
}

위 코드는 vtable에서 직접 함수 포인터를 꺼내오는 방식으로 메소드를 호출하는 방법을 사용합니다. 하지만 우리에게 친숙한 Swift, Python, C++ 등 객체 지향 언어들은 이 과정이 추상화 되어있어요. 즉, vtable 안에 있는 함수 포인터를 직접 꺼내 쓰지 않고, 런타임 혹은 컴파일 타임에 자동으로 함수 포인터를 찾아주는 방식으로 메소드 호출을 구현합니다. 이 과정을 디스패치라고 하고요.

여기서 C++와 Objective-C의 방법이 나뉩니다:

• C++ 은 vptr을 씁니다, 객체 내부에 vptr이라는 포인터를 숨겨놓고, vtable에서 해당 포인터가 가리키는 메소드의 주소를 가져오는 방식을 씁니다.
• Objective-C는 메소드 이름을 selector라는 고유한 식별자로 변환합니다. 이 selector를 통해서 런타임에 동적으로 함수 포인터를 찾아 호출하는 방식을 사용합니다.

Method Dispatch in Objective-C

C++보다는 Objective-C의 방식에 더 포커싱을 맞춰볼게요. UIKit에서 버튼 액션 설정할 때 아직도 selector를 썼던 경험이 다들 있으시죠?

Objective-C는 C++스타일의 vtable을 사용하지 않습니다. 물론 ‘함수 포인터 배열’이라는 개념은 유지되요. Objective-C의 메소드 디스패치 과정을 설명하기 전에 최대한 간략화한 메소드 구조부터 보겠습니다:

typedef void (*IMP)(void*); // 함수 포인터에 별칭(IMP) 설정
typedef struct {
    SEL sel; // 셀렉터(식별자)
    IMP imp; // 실제 함수 구현(함수 포인터)
} Method;
// 메소드를 표현할 C스트럭처 입니다. 식별자(sel)와 함수 포인터(imp)로 구성되어있습니다.

Objective-C의 메소드는 하나의 C 스트럭처로 표현할 수 있습니다. 이 스트럭처에는 sel, imp두 개의 멤버 변수가 있는데, 각각 식별자와 함수 포인터입니다.

다음은 아주 간략화한 객체의 구조입니다. 함수 포인터 배열을 볼 수 있어요:

typedef struct {
    const char* name; // 인스턴스 이름
    Method* methods; // 함수 포인터 배열
    int method_count; // 메소드 개수 (C에서 포인터로 표현된 배열은 개수를 알 수 없으니까...)
} Object;

이제 Objective-C의 디스패치 과정을 살펴봅시다.

1. 메소드를 호출한다.
2. 함수 포인터 배열에서 호출한 메소드와 같은 식별자 sel을 가진 Method객체를 찾는다.
   1. 이걸 수행하는 함수를 objc_msgSend라고 해요.
3. 찾았으면 imp에 저장되어있는 함수 포인터가 가리키는 함수 실행

selector의 역할을 이제 알겠죠?

💡
TMI: 버튼 액션에서 selector를 사용하는 이유는 UIKit이 여전히 Objective-C 런타임에서 동작하기 때문입니다. 버튼을 눌렀을 때 어떤 메소드를 호출할지는 Objective-C의 다이나믹 디스패치를 이용하기 때문에 @objc로 키워드를 적어줘서 메소드를 Objective-C 런타임에 등록해야 합니다.

왜 이걸 명시적으로 해줘야 할까요? Swift가 컴파일 타임에 모든 것을 알고 싶어하는 정적 타입 언어이기 때문입니다. 이렇게 예외적인 상황에서는 이 메소드가 Objective-C 스타일로 호출된다는 것을 명확하게 해줘야 해요.

Why is a closure a first class object?

인과 관계가 약간 뒤바뀐 것일 수도 있지만, Swift에서 클로저가 1급 객체인 이유를 이제 대략 감을 잡았을 것 같아요. 위 글에서 이미 Objective-C에서 부터 메소드는 ‘단일 함수 포인터’가 아닌 C 스트럭처로 감싸진 하나의 ‘객체’ 인 것을 확인했습니다.

C 코드는 이제 그만 보고, Swift 코드를 하나 작성해보겠습니다. 많은 언어에서 캡처 개념을 익힐 때 예제로 사용하는 adder 코드에요:

func makeAdder(_ x: Int) -> (Int) -> Int {
    var total = 0
    return { y in
        total += x + y
        return total
    }
}
let add5 = makeAdder(5)
print(add5(3)) // 8
print(add5(3)) // 16

makeAdder(_:)함수는 (Int) -> Int 타입 클로저를 리턴하는 함수입니다. 동시에 total, x 두 변수를 캡처해요. makeAdder(_:)함수는 변수 add5에 { y in total += x + y; return total }이라는 클로저를 할당하고 리턴됩니다.

일반적으로 함수가 리턴(종료)되면, 메모리의 스택 영역에서 pop되면서 total이나 x와 같은 로컬 변수들도 같이 해제되어야 하는데. add5를 호출될 때 마다. 마치 total과 x가 어딘가에 저장되어 있는 것 처럼 동작합니다. 이게 바로 클로저의 캡처 덕분인건 알고 계시죠?

💡
캡처된 변수는 함수가 종료된 이후에도 존재해야 하므로 Stack이 아닌 Heap에 할당됩니다.

그런데 여기서 한 가지 더 생각해볼 수 있습니다. 클로저는 왜 1급 객체일까요? 정확한 이유는 아니지만 그 힌트는 캡처된 컨텍스트의 존재에서 얻을 수 있습니다.

함수를 불러오기 위해선 함수 포인터를 사용해야 할 것이고, Objective-C의 selector는 더 이상 필요하지 않습니다. 하지만 캡처한 컨텍스트를 저장할 프로퍼티(드디어 멤버 변수라는 말을 쓰지 않아도 되네요 ㅋㅋ)가 필요합니다.

이 즈음에서 Swift에서 클로저 객체의 구현을 간략하게 추측해볼 수 있습니다(물론 실제 클로저 구현은 스트럭처로 되어있지 않습니다!):

struct ClosureObject {
    let functionPointer: RawPointer // 함수 포인터
    let capturedContext: HeapBox // 클로저가 캡처한 변수들을 힙에 저장하기 위한 구조체
}

ClosureObject는 메모리의 주소값을 저장하고 있는 functionPointer와 힙에 있는 스트럭처(혹은 클래스)를 가리키는 capturedContext를 저장하고 있는 스트럭처입니다.

functionPointer는 함수 자체를 가리키기 때문에 코드영역, capturedContext는 캡처한 환경을 가리키기때문에 힙 영역에 할당되어 있겠죠. 이런 방식으로 클로저가 1급 객체가 됩니다. 그냥 스트럭처니까 변수에 할당할 수 있어요!

Dynamic Dispatch in Swift

Swift가 아무리 정적 타입 언어라고 하더라도, 결국엔 final없이 서브클래싱을 하거나, 프로토콜로 실제 구현이 숨겨진 경우엔 다이나믹 디스패치를 해야합니다. 사실 제 생각에는 스태틱 디스패치만큼 다이나믹 디스패치를 하거나 혹은 더 많이 할수도 있어요.

스위프트의 다이나믹 디스패치는 크게 2가지로 분류할 수 있습니다.

• 위에서 봤던 VTable 을 이용하는 경우, 대표적으로 오버라이드 된 메소드 호출
• Witness Table을 이용하는 경우, 대표적으로 프로토콜로 타입이 숨겨진 객체의 메소드 호출

Witness Table을 간단하게 정리하면, 각 프로토콜을 컨펌하는 타입마다 생성되는 함수 포인터의 배열입니다. 각 타입마다 프토토콜의 요구사항을 다르게 구현했을 것으로 기대되기 때문에 따로 구분할 필요가 있어요. 여기부터는 너무 첫 발상(함수포인터로 C에서 OOP 구현하기)에서 뻗어나간 것 같아서 적당히 커트하겠습니다. 다음 기회가 있으면 그 때 작성할게요.

읽어주셔서 감사합니다~~

[dyyeom]

켈리 안녕하세요~
올해부터 아카데미에서 함께하고 있는 테크멘토 네이선입니다.
깊이 생각해볼 수 있는 글 남겨주셔서 감사해요!
PS가 무슨 뜻인지 몰라서 찾아보는 것부터 시작해서 저도 옛날 생각 하면서 이것저것 찾아보면서 흥미롭게 읽었어요 ㅎㅎ
(혹시 부스트캠프에서 저를 보신 적 있으신지 궁금하네요 🤔)

궁금한 점 몇 가지 질문 드려요!

func makeAdder(_ x: Int) -> (Int) -> Int
예제 코드를 작성해주셨는데요, add5()에서 아무런 파라미터가 전달되지 않아도 괜찮은가요? ㅎㅎ

또 하나 이건 이야기해보고 싶은 부분이예요.
제가 알기로 1급 객체는 “언어에서 최상위 개념으로 다룰 수 있는 값” 이고 여기에서 쓰이는 "객체"의 개념과 OOP에서의 "객체"는 다른 개념으로 알고 있는데요,
저 또는 다른 분들께서 이 부분에 대해서 오해가 생길 수도 있겠다는 생각이 들어서 이 부분에 대해서 켈리의 생각도 명확하게 알고 싶어요!

[kelly-chui]

Adder 예제는 글을 작성하다가 호출 부분도 있으면 좋겠다. 싶어서 마크다운에서 직접 넣은 부분이라서 놓친 부분 같아요 ㅋㅋ

클래스의 인스턴스(OOP 객체)와 1급 객체는 다르지만, Swift 안에서는 결국 클로저도 Function타입 인스턴스이고, Swift에는 C나 Java처럼 원시 값이 없다고 생각했는데... 상속이나 다형성 측면에서 생각해보면 OOP 객체로 보기 힘들겠네요(이 문장 쓰면서 깨달았어요😅).
제가 의도했던 건 이름이 있든 없든 상관 없이 클로저라는 그 자체가 추상적인 무언가가 아니라, 자주 쓰는 스트럭처나 클래스처럼 명확한 타입을 가지고 있고 그 덕분에 변수에 할당하고... 파라미터로 넘겨주고... 리턴 값으로 사용할 수 있다... 이것을 보여주고 싶었어요. '클로저 타입 내부 구조를 추측해보면서 이렇게 만들 수 있고 -> 클로저도 이렇게 구성될 수 있는 타입이니까 할당 가능하다.' 느낌으로요

남겨주신 글 읽고 공부한 내용 더 생각하고 확장해 볼 수 있었습니다. 감사합니다.👍

[dyyeom]

'클로저 타입 내부 구조를 추측해보면서 이렇게 만들 수 있고 -> 클로저도 이렇게 구성될 수 있는 타입이니까 할당 가능하다.'

저도 이 부분이 흥미롭고 공감됐어요!

이 글을 읽을 러너분들은 아직 개념들에 대해서 잘 모르시는 분들이 많기 때문에 자칫 잘못 받아들이실 수 있겠다 싶어서 명확하게 하고 싶었어요.
저도 C, C++ 개발을 해봤던 사람으로서 클로저를 함수포인터와 연결해서 생각하시는 부분이 흥미로운 발상이라고 생각했어요. 😊

다시 한 번 좋은 글 고맙습니다!