[개발공통] Call by value와 Call by reference (Java, Python, C/C++)

🏝 1. Call by value와 Call by reference란?

 

 Call by value와 Call by reference는 신입 개발자 기술면접에서도 자주 나올만큼 기초적이면서 중요한 개념이다.

필자도 모 인터뷰 중 해당 질문을 받은 적이 있는데, 면접 준비도 잘 되지 않았고 당황했던 터라 부족하게 대답했던 경험이 있다.

이런 일이 다시는 없도록 제대로 정리를 해보자.

 

 메소드의 인자를 전달하는 방식은 크게 두 가지로 나뉘어져있다.

(물론 수많은 인자 전달 방식이 있지만, 대표적으로 많이 사용되는 두 가지를 의미함.)

 

하나는 Call by Value로, 직역하면 값에 의한 전달에 해당한다.

실제 값(caller)과 인수로 전달한 값(callee)이 메모리 측면에서 실제 서로 동일하지 않고 값을 복사하여 전달하는 방식을 의미한다. 즉, Call by Value 방식으로 메소드의 인자를 전달한 경우 메소드 내에서 값을 수정하면 값을 복사하여 전달한 것(두 변수는 다른 변수)이므로 실제 값을 변경되지 않는다.

 

또 다른 하나는 Call by reference로, 직역하면 참조에 의한 전달이다. 호출자(caller)과 호출 수신자(callee)로 전달한 값이 아예 동일하다. 즉 메소드 내부에서 값을 바꾸면, 원본의 값도 변경되는 것이 특징이다.

 

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🏝 2. 언어별 인수 전달 방법

> 2-1. Java는 메소드에 인수를 어떻게 전달하는가?

 

 단도직입적으로 말하면, Java는 Call by reference 방식은 하나도 사용하지 않으며, 오로지 Call by Value에 의해 메소드에 인수를 전달하는 방식을 채택한다.

 

자바 창시자인 제임스 고슬링은 수많은 인수전달 방법이 있지만 자바에는 간단하게 "call by value"만을 참고했다고 한다(하단 참조). 빼박 창시자 오피셜이지만, 면접에서 "창시자가 그러던데요?"라고 할 수는 없으니 자세히 알아보자.

the Java authors choose to only include one simple idea - pass-by-value, with no default values or optional parameter (overloading often provides a satisfactory alternative), no variable length parameter lists (added finally in Java 5), no named parameters, no pass-by-reference, no const (a general Java issue) parameters, etc. 

-The Java Programming Language, 2nd ed. by Ken Arnold and James Gosling, section 2.6.1, page 40, 3rd paragraph.

 

1) 기본형을 전달할 때

자바에서의 기본형 즉, 원시 변수는 메소드의 인수로 전달받으면 직접 스택 메모리에 할당된다. 원시 데이터 유형의 변수가 인수로 전달될 때마다 복사되어 스택 메모리에 자체 공간을 축적한다. 

 

이러한 매개변수의 수명은 해당 메서드가 실행되는 동안에만 지속되며 반환 시 스택에서 지워지고 버려지게 된다.

/*
https://www.baeldung.com/java-pass-by-value-or-pass-by-reference
*/
public class PrimitivesUnitTest {
 
    @Test
    public void whenModifyingPrimitives_thenOriginalValuesNotModified() {
        
        int x = 1;
        int y = 2;
       
        // Before Modification
        assertEquals(x, 1);
        assertEquals(y, 2);
        
        modify(x, y);
        
        // After Modification
        assertEquals(x, 1);
        assertEquals(y, 2);
    }
    
    public static void modify(int x1, int y1) {
        x1 = 5;
        y1 = 10;
    }
}

 

위의 코드는 Java에서 기본형 변수를 메소드의 인수로 전달했을 때 call by value임을 증명하는 테스트코드이다.

내부 메모리를 그림으로 확인해보자.

 

출처 : https://www.baeldung.com/java-pass-by-value-or-pass-by-reference

 

처음 기본형 변수를 생성하면 Stack 메모리에 생성된다. 그 이후 modify라는 메소드에 x1과 y1의 자리에 x와 y를 전달하면, x1과 x2라는 변수를 새로이 생성하고, x의 값을 복사해 x1으로, y의 값을 복사해 y1으로 전달한다.

그 후 x1과 y1의 값을 변경하더라도, x와 y의 값은 스택 메모리의 다른 부분에 저장되어 있으므로 전혀 영향을 받지 않는다.

 

 

2) 참조형을 전달할 때

 

자바의 기본형 변수 8가지를 제외하고 나머지 변수는 참조형 변수에 해당한다. '참조형' 변수라는 이름을 들었을 때, 참조에 의한 호출이란 이름을 가진 call by reference 방식으로 전달할 것 같지만, call by value 방식으로 값을 전다러하게 된다.

 

우선, 기본형 변수와 다르게 참조형 변수는 두 단계에 걸쳐서 메모리에 저장된다.

JVM 내부 메모리에는 메소드 영역, 힙 영역, 각 쓰레드 내의 스택 영역으로 이뤄져 있는데, 여기서 참조 변수는 스택 영역에 저장되고 참조되는 객체는 힙 영역에 저장되게 된다. 

 

Foo a = new Foo();

 

쉽게 보면, a 변수가 참조 변수에 해당하고, new로 새로이 생성한 인스턴스인 Foo()가 참조되는 객체에 해당한다.

 

class Example {
    public static void main(String[] args) {
        Person p = new Person(10);

        System.out.println("before : "+ p.age);

        getOlder(p);

        System.out.println("after : "+ p.age);
    }

    private static void getOlder(Person p){
        p.age++;
    }
}

/*
  출처 : https://ecsimsw.tistory.com/entry/%EC%9E%90%EB%B0%94%EB%8A%94-Call-by-Value-%EC%9D%B4%EB%8B%A4
  before : 10
  after : 11
*/

 

위의 코드를 보자.

getOlder라는 메소드에 참조 변수인 p를 전달했다. 그러자 p.age의 값은 메소드에 들어가기 전은 10이 나오고, 메소드를 빠져 나온 후는 11이 나왔다.

 

이것을 보고 call by reference로 헷갈려 할 수 있지만, 메모리 관점에서 보면 전혀 그렇지 않다는 것을 알 수 있다.

 

 

getOlder 메소드에 들어가기 전 JVM의 메모리 상태이다. 메인 스레드의 Stack 영역에 참조 변수 p가 저장된다. 이 참조 변수 p는 힙의 주소 값을 갖게 된다. 그리고 힙 내에 참조 당하는 변수인 p.age가 int 형태로 존재한다.

 

이제 getOlder 메소드를 호출해보자.

 

getOlder에 파라미터로 참조형 변수 p가 들어오고, call by value에 의해 '주소 값'이 복사된다.

주소 값을 타고, heap 영역의 age를 변경시켰다.

이제 getOlder의 메소드 호출이 끝났다.

메소드의 모든 라인의 명령이 실행되고 종료되면 frame_getOlder 부분은 사라진다.

이때 frame_main의 p 변수에는 변화가 있는가?

잘 보면, 힙 영역의 참조 당하는 변수에 대한 변화는 있지만, 참조 변수의 값은 변화된 것이 하나도 없다.

main의 p의 값은 메소드로 값을 전달하고 나서도 0x0004로 동일하다.

그러므로, Java는 call by value다.

 

조금 더 자세히 알아보자면, 다음 예시를 참고해보자.

class CallByValueExample {
    public static void main(String[] args) throws Exception{
        Person p = new Person(10);

        System.out.println("before : "+ p.age);

        changePerson(p);

        System.out.println("after : "+ p.age);
    }

    private static void changePerson(Person p){
        p = new Person(50);
    }
}

/*
https://ecsimsw.tistory.com/entry/%EC%9E%90%EB%B0%94%EB%8A%94-Call-by-Value-%EC%9D%B4%EB%8B%A4
*/

 

 

위의 그림은, changePerson 메소드가 막 호출되었을 때의 상황을 나타낸다. call by value이므로, stack 영역에 참조변수 p는 주소값을 그대로 복사하여 갖게 된다.

 

 

그 후, p = new Person(50);을 통해 다른 인스턴스를 가리키게 하면 위와 같은 구조이다.

여기서 changePerson의 메소드가 종료된다고 하더라도(종료시 frame_changePerson은 stack에서 사라짐), main의 p값은 바뀌는가를 보면 그렇지 않다.

함수의 파라미터로 p를 대입하는 것으로 main의 p 값을 바꿀 수 있는 방법은 없다. 그러므로 call by value임을 알 수 있다.

 

 

> 2-2. Python은 메소드에 인수를 어떻게 전달하는가?

 

파이썬은 조금 다른 파라미터 전달 방식을 갖고 있다. 일반적으로 Call by Value와 Call by Reference가 있다고 했지만, 결론부터 말하면 Python은 Passed by Assignment, Call by object-reference라고 한다.

 

즉, 넘겨지는 객체의 종류에 따라 전달 방식이 조금 다르다.

이 객체의 종류는 변화의 여부에 따라 분류된다.

 

1) 불변객체 (immutable variable) : int, float, string, tuple과 같이 단일 값이거나 static 속성을 변하지 않는 객체

2) 가변객체 (mutable variable) :  list, set, dict와 같이 변할 수 있는 객체

 

 

파이썬의 특징은 모든 것이 객체라는 것이다.

일반적인 다른 언어들과 달리 값들이 변수 내에 저장되는 것이 아니라, 1, 2와 같은 객체가 생성되고 변수가 그 객체를 가리키도록 한다. 흔히 이름표라는 비유를 많이 사용한다. a = 1, c = 1이면, 1이라는 하나의 객체에 a와 c라는 이름표가 두개 붙어있는 것이다.

 

 

불변 객체를 func 메소드에 파라미터로 전달했을 때의 사진이다.

func에 진입하면서 1이라는 객체에 c라는 이름표도 달게 된다. 그리고 c = 2로 변경하면, 2라는 객체가 새로이 생성되고, c 이름표는 2에 붙게 된다.

이 결과, a는 변화가 없다. 따라서 불변 객체를 넘겼을 때에는 call by value와 비슷한 형태를 갖는다고 볼 수 있다.

 

이번엔 가변 객체를 메소드의 파라미터로 전달해보자.

리스트는 내부의 값을 변경할 수 있으므로 가변 객체에 해당한다.

따라서 리스트의 끝에 5를 append하면, 5가 추가된 리스트가 새롭게 생성되는 것이 아니라, 동일한 id 값을 가진 리스트에 5가 추가되는 것 뿐이다.

 

def func(arr):
    arr.append(5)

a = [1,2,3,4]
func(a)

이 코드를 보면, [1,2,3,4] 리스트에 a라는 이름표를 달았고, 이를 매개변수로 넘겨주자.

그러면 [1,2,3,4]라는 객체에 arr이라는 이름표도 달게 되고, 이 arr 이름표가 달린 객체(리스트) 끝에 5를 삽입하게 된다.

메소드가 끝나고 local variable인 arr가 사라지더라도 a 이름표가 달려있는 객체의 id는 동일하다.

따라서 a = [1,2,3,4,5]가 된다. 이 경우에는 call by reference와 비슷하게 보인다.

 

def func(arr):
    arr = [5,6]

a = [1,2,3,4]
func(a)

이 코드는 어떨까?

역시 [1,2,3,4] 리스트에 a라는 이름표를 달고, func 메소드에 진입할 때 동일한 리스트에 arr라는 이름표도 달게 된다.

arr = [5,6]으로 변경하면, [5,6]이라는 새로운 리스트 객체가 생성되고, arr 이름표는 이 리스트로 옮겨간다.

method가 종료된 후, local variable이 사라진 경우, a의 값은 어떠한가?

 

여전히 a = [1,2,3,4]를 갖고 있다. 이러한 부분은 call by reference와는 많이 달라보인다.

따라서 Python은 Call by value나 Call by reference가 아닌 Passed by Assignment, Call by object-reference이다.

 

 

 

> 2-3. C/C++는 메소드에 인수를 어떻게 전달하는가?

 

1. Call by Value

void CallByValue(int value)
{
	value = 20;
	std::cout << value << std::endl;	//value의 값
	std::cout << &value << std::endl;	//value의 주소
}

int main()
{
	int num = 10;
	CallByValue(num);
	std::cout << num << std::endl;	//num의 값
	std::cout << &num << std::endl;	//num의 주소

	return 0;
}

// 출처 : https://rehtorb-algorithm.tistory.com/11

 

CallByValue 메소드가 호출되면, value는 num의 값을 복사하여 메모리에 새로이 생성된다.

그 후 value의 값을 변경하므로, main의 num에는 아무런 영향이 없다. 마찬가지고 value와 num이 저장된 각각의 주소 값도 다르다.

 

 

2. Call by Address

void CallByAddress(int* address)
{
	*address = 20;
	std::cout << *address << std::endl;	//address가 가리키는 주소의 값
	std::cout << &address << std::endl;	//address의 주소
}
int main()
{
	int num = 10;
	CallByAddress(&num);
	std::cout << num << std::endl;	//num의 값
	std::cout << &num << std::endl;	//num의 주소

	return 0;
}

// 출처 : https://rehtorb-algorithm.tistory.com/11

 

다음은 Call by Address 방식이다. CallByAddress 메소드가 호출되면, address는 num의 주소를 가리키는 값을 갖는다. 다른 말로하면, address와 num의 주소는 엄연히 다르다.

 

역참조 연산자인 '*'를 사용해 *address로 num의 주소에 접근해 값을 바꾸면, main의 num에도 영향이 가 값이 변경된다.

뒤에 나오는 Call by Reference와 가장 큰 차이점은, address의 주소와 num의 주소는 다르다는 것이다.

 

 

3. Call by Reference

void CallByReference(int& reference)
{
	reference = 20;
	std::cout << reference << std::endl;	//reference가 가리키는 주소의 값
	std::cout << &reference << std::endl;	//reference의 주소
}
int main()
{
	int num = 10;
	CallByReference(num);
	std::cout << num << std::endl;	//num의 값
	std::cout << &num << std::endl;	//num의 주소

	return 0;
}

// 출처 : https://rehtorb-algorithm.tistory.com/11

 

마지막, Call by Reference이다. 이 경우 CallByReference 메소드가 호출되면, 값을 복사하거나 주소'값'을 전달하는 것이 아니라 reference는 num이 할당된 메모리와 공유한다. 

 

따라서 후에 reference = 20으로 변경하면 num과 메모리 주소가 완전히 동일하기 때문에 num에도 영향이 간다.

즉, reference의 주소와 num의 주소는 동일하다. (이 부분이 call by address와 다른 점)

 

 

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🏝 3. 요약

 

- 메소드 호출 시 매개변수 전달 방법은 대표적으로 Call by Value와 Call by Reference가 있다.

- Call by Value는 값을 복사해 새로이 스택에 할당한다.

- Call by Reference는 caller와 callee 모두 동일한 주소를 가리키는 값이다.

- Java는 오로지 Call by Value이다.

- Python은 Call by value나 Call by reference가 아닌 Passed by Assignment 이다.

- C는 오로지 Call by Value이다 (포인터는 Call by Address의 개념으로, Call by Value 이다.)

- C++에선 Call by Value와 Call by Address (포인터 *), Call by Reference (참조연산자 &)가 모두 있다.

 

 

 

😎  참고 자료

 

[링크] https://www.baeldung.com/java-pass-by-value-or-pass-by-reference (Pass-By-Value as a Parameter Passing Mechanism in Java)

[링크] https://rehtorb-algorithm.tistory.com/11 ([C++] call by value, call by address, call by reference 차이)

[링크] https://loosie.tistory.com/486?category=964815 ([Java] 자바가 언제나 Call By Value인 이유 (Call By Reference X))

[링크] https://ecsimsw.tistory.com/entry/%EC%9E%90%EB%B0%94%EB%8A%94-Call-by-Value-%EC%9D%B4%EB%8B%A4 (자바 깊이 알기 / 자바는 항상 Call by Value.)