C++ OOP다형성

가상 함수(virtual function)

C++에서 가상 함수(virtual function)는 파생 클래스에서 재정의할 것으로 기대하는 멤버 함수를 의미합니다.

 

이러한 가상 함수는 자신을 호출하는 객체의 동적 타입에 따라 실제 호출할 함수가 결정됩니다.

 

 

 

C++에서 가상 함수는 virtual 키워드를 사용하여 선언합니다.

 

문법

virtual 멤버함수의원형;

 

 

 

기초 클래스에서 virtual 키워드를 사용해 가상 함수를 선언하면, 파생 클래스에서 재정의된 멤버 함수도 자동으로 가상 함수가 됩니다.

 

파생 클래스의 멤버 함수 쪽에도 virtual 키워드를 사용하여 가상 함수라는 것을 명확히 하는 것도 나쁘지 않습니다.

동적 바인딩(dynamic binding)

C++ 컴파일러는 함수를 호출할 때, 어느 블록에 있는 함수를 호출해야 하고, 해당 함수가 저장된 정확한 메모리 위치까지도 알아야 합니다.

 

이처럼 함수를 호출하는 코드에서 어느 블록에 있는 함수를 실행하라는 의미로 해석하는 것을 바인딩(binding)이라고 합니다.

 

하지만 C++에서는 함수가 오버로딩될 수 있으므로 이 작업이 조금 복잡해집니다.

 

 

 

대부분 함수를 호출하는 코드는 컴파일 타임에 고정된 메모리 주소로 변환됩니다.

 

이것을 정적 바인딩(static binding) 또는 초기 바인딩(early binding)이라고 합니다.

 

C++에서는 가상 함수가 아닌 멤버 함수는 모두 이러한 정적 바인딩을 하게 됩니다.

 

 

 

하지만 가상 함수의 호출은 컴파일러가 어떤 함수를 호출해야 하는지 미리 알 수 없습니다.

 

왜냐하면, 가상 함수는 프로그램이 실행될 때 객체를 결정하므로, 컴파일 타임에 해당 객체를 특정할 수 없기 때문입니다.

 

따라서 가상 함수의 경우에는 런 타임에 올바른 함수가 실행될 수 있도록 해야 합니다.

 

이것을 동적 바인딩(dynamic binding) 또는 지연 바인딩(late binding)이라고 합니다.

 

 

 

하지만 가상 함수도 결합하는 타입이 분명할 때에는 일반 함수와 같이 정적 바인딩을 합니다.

 

이러한 가상 함수는 기초 클래스 타입의 포인터나 참조를 통하여 호출될 때만 동적 바인딩을 하게 됩니다.

 

 

 

다음 예제는 가상 함수를 사용한 동적 바인딩을 간략하게 표현한 예제입니다.

 

예제

class A

 

{

 

public:

 

virtual void Print() { cout << "A 클래스의 Print() 함수" << endl; }

 

};

 

 

 

class B : public A

 

{

 

virtual void Print() { cout << "B 클래스의 Print() 함수" << endl; }

 

};

 

 

 

int main(void)

 

{

 

A* ptr;

 

A obj_a;

 

B obj_b;

 

 

 

ptr = &obj_a;

 

ptr->Print();

 

ptr = &obj_b;

 

ptr->Print();

 

return 0;

 

}

 

가상 함수 테이블(virtual function table, vtbl)

C++에서는 가상 함수의 정의와 동작 방식만을 규정하고 있으며, 그에 따른 구현은 컴파일러마다 다릅니다.

 

하지만 컴파일러가 가상 함수를 다루는 가장 일반적인 방식은 가상 함수 테이블(virtual function table)을 이용하는 것입니다.

 

 

 

C++ 컴파일러는 각각의 객체마다 가상 함수 테이블을 가리키는 포인터를 저장하기 위한 숨겨진 멤버를 하나씩 추가합니다.

 

이와 함께 가상 함수를 단 하나라도 가지는 클래스에 대해서 가상 함수 테이블을 작성합니다.

 

이렇게 작성된 가상 함수 테이블에는 해당 클래스의 객체들을 위해 선언된 가상 함수들의 주소가 저장되게 됩니다.

 

 

 

가상 함수를 호출하면, C++ 프로그램은 가상 함수 테이블에 접근하여 자신이 필요한 함수의 주소를 찾아 호출하게 됩니다.

 

가상 함수를 사용하면 이처럼 함수의 호출 과정이 복잡해지므로, 메모리와 실행 속도 측면에서 약간의 부담을 가지게 됩니다.

 

따라서 C++에서 기본 바인딩은 정적 바인딩이며, 필요한 경우에만 가상 함수로 선언하도록 하고 있습니다.

 

하지만 파생 클래스가 재정의할 가능성이 있는 함수는 모두 가상 함수로 선언하는 편이 좋습니다.

가상 소멸자

C++에서 기초 클래스의 소멸자는 반드시 가상으로 선언해야 합니다.

 

 

 

우선 앞서 살펴본 Person 클래스와 파생 클래스인 Student 클래스가 있다고 가정합니다.

 

예제

Person* hong = new Student;

 

...

 

delete hong;

 

 

 

위의 예제에서 Person 클래스는 Student 클래스의 기초 클래스이므로, hong이라는 Student 객체가 동적으로 할당됩니다.

 

하지만 마지막 구문의 delete 키워드는 ~Student() 소멸자를 호출하지 않고, ~Person() 소멸자를 호출할 것입니다.

 

그러므로 Student 객체에 동적으로 할당된 메모리는 정상적으로 해제되지 않을 것입니다.

 

 

 

하지만 Person 클래스의 소멸자를 가상으로 선언한다면, 위의 구문은 정상적으로 ~Student() 소멸자를 호출할 것입니다.

 

따라서 기초 클래스는 명시적으로 소멸자를 선언할 필요가 없더라도, 아무 일도 하지 않는 가상 소멸자를 선언해야 합니다.

 

 

순수 가상 함수(pure virtual function)

C++에서 가상 함수(virtual function)는 파생 클래스에서 재정의할 것으로 기대하는 멤버 함수를 의미합니다.

 

따라서 가상 함수는 반드시 재정의해야만 하는 함수가 아닌, 재정의가 가능한 함수를 가리킵니다.

 

 

 

이와는 달리 순수 가상 함수(pure virtual function)란 파생 클래스에서 반드시 재정의해야 하는 멤버 함수를 의미합니다.

 

이러한 순수 가상 함수는 일반적으로 함수의 동작을 정의하는 본체를 가지고 있지 않습니다.

 

따라서 파생 클래스에서 재정의하지 않으면 사용할 수 없습니다.

 

 

 

C++에서 순수 가상 함수는 다음과 같은 문법으로 선언합니다.

 

문법

virtual 멤버함수의원형=0;

 

 

 

위와 같이 함수만 있고 본체가 없다는 의미로 함수 선언부 끝에 "=0"을 추가합니다.

 

추상 클래스(abstract class)

C++에서는 하나 이상의 순수 가상 함수를 포함하는 클래스를 추상 클래스(abstract class)라고 합니다.

 

이러한 추상 클래스는 객체 지향 프로그래밍에서 중요한 특징인 다형성을 가진 함수의 집합을 정의할 수 있게 해줍니다.

 

즉, 반드시 사용되어야 하는 멤버 함수를 추상 클래스에 순수 가상 함수로 선언해 놓으면, 이 클래스로부터 파생된 모든 클래스에서는 이 가상 함수를 반드시 재정의해야 합니다.

 

 

 

추상 클래스는 동작이 정의되지 않은 순수 가상 함수를 포함하고 있으므로, 인스턴스를 생성할 수 없습니다.

 

따라서 추상 클래스는 먼저 상속을 통해 파생 클래스를 만들고, 만든 파생 클래스에서 순수 가상 함수를 모두 오버라이딩하고 나서야 비로소 파생 클래스의 인스턴스를 생성할 수 있게 됩니다.

 

하지만 추상 클래스 타입의 포인터와 참조는 바로 사용할 수 있습니다.

 

 

 

예제

class Animal

 

{

 

public:

 

virtual ~Animal() {} // 가상 소멸자의 선언

 

virtual void Cry()=0; // 순수 가상 함수의 선언

 

};

 

 

 

class Dog : public Animal

 

{

 

public:

 

virtual void Cry() { cout << "멍멍!!" << endl; }

 

};

 

 

 

class Cat : public Animal

 

{

 

public:

 

virtual void Cry() { cout << "야옹야옹!!" << endl; }

 

};

 

 

 

int main(void)

 

{

 

Dog my_dog;

 

my_dog.Cry();

 

Cat my_cat;

 

my_cat.Cry();

 

return 0;

 

}

 

위의 예제에서 추상 클래스인 Animal 클래스는 순수 가상 함수인 Cry() 멤버 함수를 가지고 있습니다.

 

Animal 클래스를 상속받는 파생 클래스인 Dog 클래스와 Cat 클래스는 Cry() 함수를 오버라이딩해야만 인스턴스를 생성할 수 있습니다.

 

추상 클래스의 용도 제한

C++에서 추상 클래스는 다음과 같은 용도로는 사용할 수 없습니다.

 

 

 

1. 변수 또는 멤버 변수

 

2. 함수의 전달되는 인수 타입

 

3. 함수의 반환 타입

 

4. 명시적 타입 변환의 타입