[C++] 다형성

다형성이란 무엇인가?

다형성은 '하나의 함수가 여러 기능을 가질 수 있는 특성'을 뜻합니다.

다형성 또한 상속, 은닉성을 잇는 OOP의 매우 중요한 개념이라고 볼 수 있죠.

 

다형성에는 2가지 종류가 있습니다.

1) 같은 이름의 함수가 여러 종류의 매개변수를 처리하여 다른 기능을 하도록 하는 오버로딩

2) 부모 클래스에 존재하는 함수를 자식 클래스에서 재정의하여 다른 기능을 하도록 하는 오버라이딩

 

오버로딩은 이전 포스팅 '연산자 오버로딩'에서 비슷한 내용을 다뤘으므로, 자세한 것은 설명하지 않을 것이고

OOP에서 중요한 것은 오버라이딩입니다.

 

오버라이딩은 클래스 상속 관계에서

완전히 같은 이름과 같은 매개변수를 가지는 함수를 자식 클래스에서 재정의하여

다른 기능을 하도록 재정의하는 것입니다.

 

해당 코드를 보겠습니다.

Human 포인터가 Korean의 객체의 주소를 받고 있습니다.

그리고 SayHello를 호출하고 있죠.

 

그럼 과연 어떤 메시지가 출력될까요?

1) Human의 SayHello가 출력된다.

2) Korean의 SayHello가 출력된다.

 

정답은 1번입니다.

 

조금 이상하지 않나요?

물론 포인터 자체는 Human 클래스인데,

가리키고 있는 건 Korean 객체지 않나요?

그러면 Korean의 SayHello를 호출하는 게 맞지 않을까요?

 

이 문제를 해결하는 것이 오버라이드, '가상함수'의 지원입니다.

가상 함수

 

가상 함수는 vitual 키워드를 사용하여 선언합니다.

virtual 키워드를 사용한 함수는 '가상 함수'라고 불리며, 컴파일러에게 '나는 오버라이드 됐으니까 제대로 함수 호출 해주세요.'라고 부탁합니다.

 

가상 함수는 컴파일 시에 '딱 한 번만' 메모리에 할당되어

해당 함수에 대해 어떤 오버라이드된 가상함수가 있는지

어떤 주소의 가상함수를 실행시켜야 하는지에 대한 '가상 테이블'을 생성합니다.

(참고: 가상 테이블은 클래스당 오직 1개만 존재한다.)

 

그래서 함수를 호출했을 때, 해당 함수가 가상함수면 컴파일러가 가상 테이블주소를 확인해서 적절한 함수를 호출해 준다.

이러한 '가상 테이블'을 확인하는 동작 때문에 가상 함수는 조금 느리다는 단점이 있습니다.

이런 식으로 느리지만 유연하게 런타임에 그 기능이 결정되는 것을 동적 바인딩라고 말합니다.

 

정적 바인딩 vs 동적 바인딩

 

맛 간에 바인딩에 대한 개념을 잡고 갈 것이다.

 

바인딩이란 각종 값들이 확정되어 더 이상 변경할 수 없는 상태가 되는 것을 뜻하는데,

이를 '구속(bind)' 상태와 비슷하다고 하여 바인딩이라고 부른다.

 

1) 정적 바인딩

컴파일 시 값이 확정되는 상태

자료형으로 int가 바인딩되는 것은, 컴파일 시이다.

그러므로 이를 정적 바인딩된다고 말한다.

static 또한 정적 바인딩이다.

 

정적 바인딩은 런타임 전에 값을 다 확정시키기에, 실행 시 속도 및 효율을 높일 수 있다.

정적 바인딩은 동적 바인딩보다 빠르다.

 

2) 동적 바인딩

런타임 시에 값이 확정되는 상태

컴파일 시에는 값을 보류상태로 두기에, 미리 공간을 확보해 둔다.

그리고 실행 동중에 값을 확정한다.

 

가상 함수의 경우 컴파일 시에는 어떤 가상함수가 쓰일지 모르기에

프로그램 실행 도중에 가상 함수 테이블을 보고 주소를 확정하는 동적 바인딩을 사용한다.

 

동적 바인딩은 정적 바인딩에 비해 속도가 느리고 메모리 소모량이 크지만 유연하다는 장점이 있다.

 

가상 함수와 관련된 여러 가지 문법을 알아보자!

 

1. 기본적인 호출, 그리고 원하는 함수 호출

 

 

위 코드처럼 오버라이드 설계가 잘 된 코드의 경우

기본적으로 '베이스 클래스'의 참조나 포인터로 '자식 클래스'를 가리키고 있을 때,

기본적으로 실체인 '자식 클래스'의 오버라이드 함수를 호출합니다.

 

그런데 오버라이드 된 함수 말고 부모의 함수를 호출하고 싶을 경우가 있을 수도 있습니다.

그러면 아래 코드와 같이 직접 명시해 주면 원하는

함수가 실행됩니다.

 

2. 가상 소멸자

소멸자의 경우는 가능하면 가상 소멸자를 사용하는 것이 좋습니다.

메모리 누수 문제를 막기 위해서지요.

 

위 코드의 문제점이 뭘까요?

Korean 객체를 가리키고 있는 Human 클래스를 delete 해줬을 때,

Korean의 char* 의 메모리가 제대로 해제되지 않았다는 것입니다.

 

h의 겉모습은 Human이기에 Korean의 소멸자가 호출되지 않고 Human의 소멸자만 호출된 것입니다.

 

이런 불상사를 막기 위해서 소멸자는 되도록이면 virtual을 붙여서 선언하는 습관을 들이면 좋습니다.

 

3. 순수 가상함수

순수 가상함수는

virtual (함수) = 0; 형태로 선언합니다.

 

순수 가상함수의 주된 기능은

해당 가상 함수를 반드시 재정의하도록 유도한다는 것입니다.

그렇지 않으면 컴파일 에러를 발생시킵니다.

 

제가 순수 가상함수를 유용하게 써먹었던 예시를 보여드리겠습니다.

 

예전에 RPG 게임을 만드는데, 오브젝트마다 식별자가 필요했고

어떤 오브젝트인가? 에 따라 다른 스타일의 식별자 ID를 설정하고 싶을 때,

최상위 베이스 클래스에 SetId라는 순수 가상함수를 정의하고

강제로 하위 클래스에서 SetId를 구현하도록 유도했습니다.

 

이런 식으로 의도적으로 특정 함수를 구현하게끔 유도할 때 순수 가상함수가 유용하게 쓰입니다.

 

4. 추상 클래스

보통 순수 가상 함수가 1개 이상 구현된 클래스를 추상 클래스라고 부릅니다.

단, 추상 클래스의 경우 '객체'를 만들 수 없으며

추상 클래스의 포인터나 참조형만 만들 수 있습니다.

 

다중 상속과 인터페이스

1) 다중상속

가상 함수에 대한 기능을 조금 더 보여드리기 위해서 '다중 상속'에 대해서 설명하겠습니다.

 

'다중 상속'이란 한 번에 둘 이상의 클래스를 파생받는 것을 뜻합니다.

'상속'을 받는 방법은 매우 단순해요.

 

HalfElf 클래스 부분처럼 상속을 콤마(,)로 구분해서 해주는 것이지요.

이러면 HalfElf 클래스는 Human의 멤버와 Elf의 멤버 둘 다 동시에 상속받을 수 있습니다.

 

이 경우 생성자는 Human, Elf 순서 즉, 상속받은 순서대로 호출됩니다.

 

그러나 많은 코딩 규약에서는 다중 상속을 지양하도록 권고합니다.

그 이유는 '죽음의 다이아몬드 현상' 때문이죠.

 

이런 다중 상속 경우를 보겠습니다.

최상위 클래스 Life에는 age를 관리하고 있고

Human과 Elf가 Lift를 상속받으면서 각자 독자적인 age를 가지고 있습니다.

HalfElf가 Human과 Elf를 다중상속받았을 때,

age는 Human의 age 멤버인지, Elf의 멤버인지 굉장히 '모호'해집니다.

 

이 경우 다음과 같이 명시적으로 해결하거나

 

가상 상속을 받으면 됩니다.

 

이러면 이 클래스 객체는 단 하나의 age만 관리할 수 있게 됩니다.

 

그런데, 이러면 솔직히 조금 코드가 더러워지잖아요

그래서 대부분의 프로젝트에서는 다중상속을 '한 가지' 경우만 제외하면 사용을 하지 않습니다.

같은 구문이 2가지 의미로 해석될 수 있기 때문이죠.

 

유일하게 허용되는 경우는 '인터페이스 패턴'을 이용한 다중상속입니다.

 

2) 인터페이스

인터페이스는 C++에 기본적으로 존재하는 기능은 아니고

보통 데이터를 정의하지 않고, 추상 함수만 정의하는 클래스를 '인터페이스'라고 부릅니다.

 

 

이런 식으로 인터페이스 패턴을 사용하면 

제한된 기능의 상위 클래스로 객체들을 관리하는데 수월합니다.

 

예를 들어서 다음과 같이 Moveable을 상속받는 Human, Bird 객체들을

Moveable로 묶어서 실행시키는 방법이 자주 사용됩니다.

 

 

이런 식으로 하나의 큰 클래스로 묶어서 for로 단순하고 간결하게 처리할 수 있도록 합니다.

 

마치며

다형성, 오버로딩, 오버라이딩은 OOP에서 매우 매우 중요한 기법이고 기술 면접에서도 단골손님으로 나오는 문제입니다.

그렇기 때문에 상속성, 은닉성, 다형성에 대한 부분을 제대로 짚고 넣어가시길 바랍니다.