5. 서브프로그램과 패키지를 이용한 구조화

프로그램이 복잡해질수록 추상화를 위한 메커니즘이 가장 중요해집니다. Ada는 서브프로그램, 패키지, 제네릭을 통해 이러한 복잡성을 관리하는 시스템을 제공합니다. 이러한 기능들은 함께 작동하여 긴 수명 주기 동안 모듈화되고, 재사용 가능하며, 유지보수 가능한 소프트웨어를 구축할 수 있게 합니다.

5.1 서브프로그램: 프로시저와 함수

서브프로그램(Subprograms)은 Ada에서 실행 가능한 코드의 기본 단위입니다. 일련의 연산을 단일의 호출 가능한 엔티티로 캡슐화하여 알고리즘적 추상화를 제공합니다. 언어는 두 가지 형태의 서브프로그램을 명확하게 구분합니다:

• 프로시저(Procedures): 프로시저는 어떤 동작을 수행하며 독립적인 문장으로 호출됩니다. 값을 반환하지 않습니다.

• 함수(Functions): 함수는 값을 계산하고 반환하므로 항상 표현식의 일부가 됩니다. 함수의 반환 값은 무시할 수 없으며, 변수에 할당되거나 다른 표현식에서 사용되어야 합니다.

모든 서브프로그램은 명세(공개 인터페이스)와 본체(구현)로 구성되며, 이들은 별도로 컴파일될 수 있습니다.

매개변수 모드

Ada에서 서브프로그램 설계의 중요한 측면은 매개변수 모드(parameter modes)를 명시적으로 정의하는 것입니다. 이는 각 매개변수에 대한 데이터 흐름의 의도된 방향을 지정합니다. 이는 서브프로그램과 호출자 사이의 계약 역할을 합니다.

• in: 매개변수의 값이 서브프로그램으로 전달되며, 서브프로그램은 이를 읽기만 할 수 있습니다. 형식 매개변수는 서브프로그램 내에서 상수처럼 동작합니다. 아무것도 지정되지 않으면 이것이 기본 모드입니다.

• in out: 매개변수의 값은 서브프로그램에 의해 읽히고 수정될 수 있습니다. 변경 사항은 호출자가 제공한 실제 매개변수에 반영됩니다.

• out: 서브프로그램이 매개변수에 값을 할당할 것으로 예상됩니다. 실제 매개변수의 초기 값은 무관하며, 서브프로그램 내에서 형식 매개변수는 값이 할당될 때까지 초기화되지 않은 것으로 간주됩니다.

procedure compute_roots (
  a, b, c : in  Float;
  root_1  : out Float;
  root_2  : out Float;
  is_valid: out Boolean) is
...
end compute_roots;

매개변수 연관

서브프로그램을 호출할 때 매개변수는 두 가지 표기법을 사용하여 전달될 수 있습니다:

1. 위치적 연관(Positional Association): 인수는 목록에서의 순서에 따라 형식 매개변수와 일치됩니다.

2. 이름 지정 연관(Named Association): 인수는 => 기호를 사용하여 이름으로 형식 매개변수와 명시적으로 일치됩니다.

-- 위치적 호출
compute_roots (1.0, -5.0, 6.0, r1, r2, v);

-- 이름 지정 호출 (순서는 중요하지 않음)
compute_roots (
  a        => 1.0,
  b        => -5.0,
  c        => 6.0,
  root_1   => r1,
  root_2   => r2,
  is_valid => v);

이름 지정 연관은 여러 매개변수를 가진 서브프로그램에 권장되며, 코드의 명확성을 향상시키고 인수를 잘못된 순서로 전달할 위험을 줄여줍니다.

표현식 함수

Ada 2012에서 도입된 표현식 함수(expression functions)는 본체가 단일 반환 표현식으로 구성된 간단한 함수를 정의하기 위한 간결한 구문을 제공합니다.

function square (x : Integer) return Integer is (x * x);

5.2 모듈화를 위한 패키지

package는 Ada의 모듈화, 캡슐화 및 정보 은닉을 위한 주요 메커니즘입니다. 프로그래머가 논리적으로 관련된 엔티티(형식, 상수, 변수, 서브프로그램 등)의 모음을 잘 정의된 인터페이스를 가진 단일의 명명된 모듈로 그룹화할 수 있게 해줍니다.

패키지는 항상 두 개의 구별되는 부분으로 나뉘며, 별도의 파일에 저장되고 독립적으로 컴파일됩니다:

• 패키지 명세(.ads 파일): 패키지의 공개 인터페이스를 정의합니다. 프로그램의 다른 부분(패키지의 클라이언트)에게 보이고 사용 가능하도록 의도된 모든 선언을 포함합니다. 이것은 패키지가 외부 세계에 제공하는 계약입니다.

• 패키지 본체(.adb 파일): 명세에 선언된 엔티티의 구현을 포함합니다. 여기에는 모든 서브프로그램의 완전한 본체뿐만 아니라, 구현에 필요하지만 클라이언트에게는 숨겨져야 하는 내부 데이터 구조, 도우미 서브프로그램 또는 상수가 포함됩니다.

이러한 인터페이스와 구현의 엄격한 분리는 Ada에서 대규모 소프트웨어 공학의 핵심 원칙입니다. 이를 통해 팀은 먼저 패키지 명세를 정의하고 합의할 수 있습니다. 명세가 컴파일되면, 다른 개발자들은 컴파일러가 합의된 인터페이스를 강제할 것이라는 확신을 가지고 병렬로 패키지 본체를 구현하는 작업을 할 수 있습니다. 더욱이, 명세가 변경되지 않는 한, 패키지 본체 내부의 구현은 변경되고 재컴파일될 수 있으며, 이에 의존하는 클라이언트 코드를 재컴파일할 필요가 없습니다.

private 형식을 이용한 정보 은닉

캡슐화를 제공하기 위해, 패키지는 형식의 내부 구조를 클라이언트로부터 숨길 수 있습니다. 이는 패키지 명세의 보이는 부분에서 형식을 private으로 선언함으로써 달성됩니다. 형식의 전체 정의는 명세 끝의 특별한 private 섹션으로 미뤄집니다.

-- 명세 파일: stack.ads
package Stack is
  type T is private; -- 클라이언트는 'T'라는 이름만 볼 수 있음

  -- private 형식에 대한 연산
  procedure push     (S : in out T; Value : in Integer);
  function  pop      (S : in out T) return Integer;
  function  is_empty (S : T) return Boolean;

private
  -- 전체 정의는 클라이언트에게 숨겨짐
  MAX_SIZE : constant := 100;
  subtype Index is Integer range 0 .. MAX_SIZE;
  type Integer_Array is array (Positive range <>) of Integer;

  type T is record
    elements : Integer_Array (1 .. MAX_SIZE);
    top      : Index := 0;
  end record;
end Stack;

이 패키지의 클라이언트는 Stack.T 형식의 변수를 선언하고 push 및 pop 프로시저를 호출할 수 있지만, 레코드의 elements 또는 top 필드에 직접 접근할 수는 없습니다. 이것은 추상화를 강제하고 클라이언트가 스택의 내부 상태를 손상시키는 것을 방지합니다.

5.3 제네릭 단위

제네릭(Generics)은 Ada에서 높은 수준의 추상화를 제공하여, 형식이나 다른 프로그램 엔티티로 매개변수화된 재사용 가능한 템플릿 서브프로그램과 패키지를 생성할 수 있게 합니다. 이는 재사용 가능하고 형식 안전한 알고리즘과 데이터 구조의 개발을 가능하게 합니다.

제네릭 단위는 직접 사용할 수 없습니다. 먼저 형식 제네릭 매개변수에 대한 실제 매개변수를 제공하여 인스턴스화해야 합니다. new 키워드를 사용하는 이 인스턴스화는 다른 것과 마찬가지로 사용할 수 있는 새로운, 구체적인 서브프로그램이나 패키지를 생성합니다.

-- swap 프로시저에 대한 제네릭 명세
generic
  type Item is private; -- 제네릭 형식 매개변수
procedure swap (left, right : in out Item);

-- 제네릭 본체
procedure swap (left, right : in out Item) is
  temp : Item := Left;
begin
  left  := right;
  right := temp;
end swap;

-- Integer에 대한 인스턴스화
procedure swap_integers is new swap (Item => Integer);

-- 사용자 정의 레코드 형식에 대한 인스턴스화
procedure swap_persons is new swap (Item => Person);

Ada의 제네릭 형식 매개변수는 풍부한 옵션 집합을 제공하며, 이는 제네릭 단위와 그 인스턴스 생성자 사이의 계약 역할을 합니다. 제네릭 단위는 매개변수가 가져야 할 속성을 정확하게 지정할 수 있습니다. 예를 들어, 제네릭 정렬 알고리즘은 요소 형식에 < 연산자가 정의되어 있어야 한다고 요구할 수 있습니다. 그러면 컴파일러는 이 계약을 충족하는 형식으로만 제네릭이 인스턴스화되도록 보장하여, 컴파일 시간에 오류를 방지합니다.