[C#] 함수와 ref, out 키워드

개인 학습을 기록한 내용을 담고 있어 추후 수정될 수 있습입니다.

함수

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C 언어 계열에서는 함수를 호출하면서 함수가 사용할 데이터를 넘겨줄 때, 매개변수를 사용합니다.
이 매개변수를 넘겨주는 방법은 크게 Call by Value, Call By Reference 2가지 있습니다.
C, C++, C# 모두 두 가지 방법을 사용하고 있지만 사용하는 방법은 각자 다릅니다.

이번 포스트에서는 C# 에서 함수에 매개변수를 전달할 때 Call by Value 방법으로 전달하는 방법과
Call by Reference 방법으로 전달하는 방법에 대해 알아보겠습니다.

Call By Value

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이 방법은 C 언어 계열에서 기본적(Default)으로 적용되는 매개변수 전달 방법입니다.

public class Program
{
	public static void Main()
	{
		int number = 1;
		add_number(number);
		Console.WriteLine(number); // 1
	}
	
	static void add_number(int number) {
		number = number + 1;	
	}
}

이 코드에서 add_number() 함수는 매개변수로 받은 number 를 1 만큼 증가시키는 작업을 수행합니다.
그리고 다시 Main 함수로 돌아와 number 를 출력하면 add_number() 함수에서 수행한 작업 결과가 아닌
작업하기 전 내용인 값 1 이 출력됩니다.

이러한 이유는 add_number() 함수가 number 를 전달받을 때, Call by Value로 전달받았기 때문입니다.

함수가 Call by Value 로 데이터를 전달 받으면, 함수에서는
main 함수에 있는 number가 아닌 add_number 함수의 고유한 number를 생성하고 그 자리에
전달받은 값만 가져와 고유 number에 초기화합니다.
즉, main 함수의 number 변수와 add_number 함수의 number 변수는
전혀 다른 메모리 공간(주소)에 존재하는 데이터라는 의미입니다.

그러나 함수의 이름은 add_number 로 전달 받은 number 를 1 증가시키는 작업을 수행하고 싶습니다.
여기서 필요한 것이 Call by Reference 라는 기술입니다.

Call by Reference

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ref 키워드

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Call by Reference 는 함수에게 원본 데이터의 접근방법을 알려주는 방법입니다.

public class Program
{
	public static void Main()
	{
		int number = 1;
		add_number(ref number);
		Console.WriteLine(number); // 2
	}
	
	static void add_number(ref int number) {
		number = number + 1;	
	}
}

call by value 방법을 사용한 코드와 차이점은 ref 라는 키워드의 존재 유무입니다.

ref 는 Reference 의 앞 3글자를 가져와 사용하는 키워드로
Reference 라는 의미가 ‘참고(참조)’인 것 처럼 원본 데이터를 참고한다는 의미입니다.

call by value 에서는 main 함수의 number 변수와 add_number 함수의 number 변수가
서로 다른 메모리 공간을 갖고 각자 값을 갖는 방법이었다면
call by reference 는 main 함수의 number 변수를 add_number 함수의 number 변수가
동일한 메모리 공간을 공유함으로서 동일한 데이터에 접근할 수 있습니다.

C++, C#의 레퍼런스와 C 의 포인터

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이 설명은 C++ 포인터와 차이점을 설명하기 위한 내용으로
포인터에 대한 개념이 없으실 경우, 넘겨도 괜찮습니다.

C# 이 ref 키워드를 사용해 원본 데이터를 참조한다면
C++ 에서는 & 키워드를 사용해 원본 데이터를 참조할 수 있습니다.
두 키워드는 함수에서 추가적인 메모리를 사용하지 않고 원본 데이터를 직접 참조합니다.

그러나 C 의 포인터는 포인터 변수를 위한 메모리 공간을 할당하고
변수에 저장된 메모리 주소를 사용해 다른 메모리 공간에 접근합니다.

3가지 기술 모두 원본 데이터에 접근이 가능하다는 특징이 있지만
위 설명처럼 메모리 할당 여부에 따라 차이점이 존재합니다.

특징	C 언어: 포인터	C++: 레퍼런스	C#: ref
메모리 할당	별도의 메모리 공간(주소 저장용)	별도 메모리 할당 없음	별도 메모리 할당 없음
사용 방식	변수의 주소를 저장하고 간접 참조	원본 변수를 직접 참조	원본 변수를 직접 참조
표현 방식	int* ptr = &value;	int& refValue = value;	ref int refValue = ref value;
메모리 접근	*ptr로 간접 접근 (dereference)	변수명만 사용해서 접근	변수명만 사용해서 접근
초기화 필요 여부	초기화 없이 선언 가능 (int* p;)	반드시 초기화 필요	반드시 초기화 필요
재할당 가능 여부	가능 (ptr = &otherValue;)	불가능 (초기 참조 대상 고정)	불가능 (초기 참조 대상 고정)
Null 가능 여부	NULL 또는 유효하지 않은 주소 가능	nullptr 또는 레퍼런스는 불가능	유효한 변수만 참조 가능
주소 연산	가능 (ptr++, ptr + 1)	불가능	불가능
간접 참조 오버헤드	존재 (포인터 주소를 따라감)	거의 없음	거의 없음
안전성	낮음 (널 포인터, 잘못된 주소 접근)	높음 (항상 유효한 변수 참조)	높음 (항상 유효한 변수 참조)
활용 예시	동적 메모리 할당, 배열, 함수 포인터	함수 호출 시 매개변수 참조 전달	함수 호출 시 매개변수 참조 전달

out 키워드

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out 키워드는 ref 키워드와 매우 유사합니다.
단, ref 키워드와 다르게 호출된 함수 내부에서 쓰기(Write)를 강제 한다는 특징이 있습니다.

ref 키워드를 사용한 변수는 해당 함수 내부에서 전혀 사용하지 않고 함수를 종료해도 문제가 없습니다.
즉, 함수 내부에서 오직 읽기만 실행할 수 있기 때문에
함수에서 ref 키워드를 사용하려면 전달하기 전, 반드시 변수를 초기화를 해야 합니다.

반면, out 키워드는 첫 설명처럼 쓰기를 강제한다는 특징으로 변수가 초기화된다는 보장이 있어
함수에 전달하기 전, 초기화를 하지 않아도 사용이 가능합니다.

out 키워드를 사용했음에도 함수 내부에서 write 작업이 없다면 컴파일 오류가 발생할 수 있습니다.