C++ 업캐스팅, 다형성, 다중 상속과 가상 상속, 가상 함수

 

C++ Inheritance(상속), 상속과 오버로딩 (using 키워드)

 

업캐스팅(Upcasting)이란?

업캐스팅(Upcasting)은 객체 지향 프로그래밍(OOP)에서 파생 클래스(자식 클래스)의 객체를 기본 클래스(부모 클래스) 타입으로 변환하는 것을 의미한다. 이 변환은 암시적으로(명시적인 캐스팅 연산 없이) 이루어지며, 상속 관계에 있는 클래스들 사이에서 자주 사용된다.

 

 

 

업캐스팅의 특징:

 

Is-A 관계:

- 업캐스팅은 "Is-A" 관계에 기반한다. 즉, 파생 클래스는 기본 클래스의 일종이기 때문에, 파생 클래스 객체를 기본 클래스 타입으로 다루는 것이 가능하다.

- 예를 들어, Student는 Person의 일종이므로, Student 객체를 Person 타입으로 업캐스팅할 수 있다.

 

암시적 변환:

C++에서는 파생 클래스의 객체를 기본 클래스의 객체로 다룰 때, 별도의 캐스팅 연산자 없이 자동으로 업캐스팅이 가능하다. 이 과정에서 컴파일러는 파생 클래스 객체를 기본 클래스 객체로 처리함

 

기본 클래스 멤버에만 접근 가능:

업캐스팅된 객체는 기본 클래스의 멤버에만 접근할 수 있다. 파생 클래스에서 추가되거나 재정의된 멤버 함수나 변수에는 접근할 수 없다.

 

class Person {
public:
    void introduce() {
        std::cout << "I am a person." << std::endl;
    }
};

class Student : public Person {
public:
    void introduce() {
        std::cout << "I am a student." << std::endl;
    }
    void study() {
        std::cout << "I am studying." << std::endl;
    }
};

int main() {
    Student s;          // Student 객체 생성
    Person* p = &s;     // Student 객체를 Person 포인터로 업캐스팅

    p->introduce();     // "I am a person." 호출 (Person 클래스의 introduce 호출)
    // p->study();      // 오류! Person 클래스에는 study() 함수가 없음

    return 0;
}

1. Person* p = &s;:
   • Student 객체 s를 Person 타입 포인터 p로 업캐스팅. 이때 별도의 캐스팅 연산자가 필요하지 않다.
2. p->introduce();:
   • p는 Person 타입의 포인터이기 때문에, introduce() 호출 시 Person 클래스에 정의된 introduce() 함수가 호출됨
   • 다형성(polymorphism)을 지원하는 가상 함수(virtual function)가 아닌 경우, 기본 클래스의 함수가 호출
3. p->study();:
   • 이 코드는 컴파일 오류를 일으킴. p는 Person 타입의 포인터이기 때문에 Person 클래스에 정의되지 않은 study() 함수에는 접근할 수 없다.

 

 

업캐스팅의 활용:

• 다형성(Polymorphism): 업캐스팅은 다형성의 기초를 제공한다. 기본 클래스의 포인터나 참조를 사용해 파생 클래스 객체를 처리하면, 나중에 런타임 시에 정확한 파생 클래스의 객체가 어떤 것인지를 알 수 있게 된다.
• 코드의 유연성: 코드가 더 유연해지고 재사용성이 높아진다. 다양한 파생 클래스를 같은 기본 클래스 타입으로 처리할 수 있기 때문에, 함수나 메서드를 작성할 때 다양한 타입의 객체를 다룰 수 있다.

 

 

 

업캐스팅의 한계:

 

- 추가된 멤버에 대한 접근 제한: 업캐스팅된 객체는 기본 클래스에 정의된 멤버에만 접근할 수 있으며, 파생 클래스에 추가된 멤버(변수, 함수)에는 접근할 수 없다.

 

- 다형성 미적용: 가상 함수가 아닌 멤버 함수의 경우, 기본 클래스의 함수가 호출되며, 파생 클래스에서 재정의된 함수는 호출되지 않는다.

 

 

 

 

다형성 (Polymorphism)

다형성은 객체 지향 프로그래밍(OOP)의 핵심 개념 중 하나로, 같은 이름의 함수가 객체의 타입에 따라 다르게 동작하는 것을 의미한다.

 

다형성이란 특정한 함수(예: getArea())를 호출할 때, 그 함수가 호출된 객체의 타입에 따라 서로 다른 함수가 실행되는 것을 의미한다. 예를 들어, getArea()라는 동일한 이름의 함수가 Triangle(삼각형), Rectangle(사각형), Circle(원) 객체에서 각각 다르게 구현될 수 있다는 것을 통해 다형성을 설명할 수 있다.

 

 

 

다형성의 특징

• 동적 바인딩: 다형성에서는 실제 호출되는 함수가 런타임(프로그램이 실행되는 동안)에 결정된다. 이를 동적 바인딩(dynamic binding)이라고 한다. 동적바인딩이란 실행 중 기본클래스의 참조나 포인터로 가상 함수가 호출되면, 파생 클래스 객체의 오버라이딩된 가상 함수를 동적으로 찾아서 호출하는 것을 말한다.
• 코드의 유연성: 다형성은 같은 인터페이스(함수 이름)를 통해 다양한 객체를 다룰 수 있게 해준다. 이로 인해 코드가 더 유연해지고 유지보수가 쉬워진다
• 다형성의 활용: 다양한 형태의 객체가 있을 때, 동일한 방식으로 다룰 수 있다. 예를 들어, 도형 클래스의 배열에서 각각의 도형 면적을 계산할 때, 도형의 타입에 따라 적절한 getArea() 함수가 호출된다.

 

 

다음과 같이 호출되는 것이 다형성의 장점이다.

 

 

<참고>

다형성 클래스(Polymorphism)란 하나 이상의 가상 함수를 포함하는 클래스를 말한다.

 

 

 

 

 

다중 상속(Multiple Inheritance) : 다이아몬드 형태

 

 

 

 

 

 

두 클래스 모두 같은 print() 함수가 있다면, 부모 클래스 중 어느 쪽의 함수를 쓸 것인지 정확히 표현하여야 에러가 나지 않는다. 에러가 나지 않기 위해서 Student::print();, Teacher::print(); 처럼 명시해주어야 한다.

 

 

 

 

 

 

가상 기본 클래스(Virtual Base Class)와 가상 상속(Virtual Inheritance)

 

 

다이아몬드 상속 문제(Diamond Problem)와 이를 해결하기 위한 가상 기본 클래스(Virtual Base Class)에 대해 알아보자.

아래의 예시는  C++에서 다중 상속을 사용하는 경우 발생할 수 있는 구조적 문제를 설명하며, 가상 상속(Virtual Inheritance)을 사용해 이를 해결하는 방법을 보여준다.

 

 

다이아몬드 형태: 상속 구조를 보면 Person 클래스가 두 번 상속되어, TA 클래스에서 Person 클래스의 두 개의 복사본을 가지게 됨. 이러한 다중 상속 구조에서, TA 클래스는 Person 클래스를 두 번 상속받게 되는데, 이로 인해 TA 클래스 내에서 Person 클래스의 멤버가 중복으로 존재하게 된다

 

문제점:

TA 클래스에서 Person 클래스의 멤버에 접근할 때, 어떤 Person 클래스를 참조할지 애매해지는 문제가 발생

예를 들어, TA 객체에서 Person 클래스의 멤버를 호출하면 Student로부터 상속된 Person의 멤버인지, Teacher로부터 상속된 Person의 멤버인지 모호하다

 

 

 

문제 해결 : 가상 상속 (Virtual Inheritance)

 

 

가상 상속의 적용:

Student와 Teacher 클래스가 Person 클래스를 상속할 때 virtual 키워드를 사용하여 가상 상속을 적용

이로 인해 Student와 Teacher 클래스는 Person 클래스의 단일 인스턴스를 공유하게 된다.

 

결과:

- TA 클래스는 이제 Person 클래스의 복사본을 하나만 가지게 된다

- TA 클래스에서 Person 클래스의 멤버에 접근할 때, Student와 Teacher 둘 중 어느 쪽을 통해 접근하더라도 동일한 Person의 멤버에 접근하게 된다

- 이렇게 함으로써 다이아몬드 상속 문제를 해결할 수 있다.

 

 

 

상황:

Person 클래스에 print() 함수가 정의되어 있고, Student와 Teacher 클래스에서 print() 함수가 재정의(오버라이딩)된다.

TA 클래스에서 print() 함수를 호출할 때, Student와 Teacher 클래스의 print() 함수가 호출되며, 각각의 함수 내에서 Person 클래스의 print()를 호출한다.

 

문제 발생: TA 클래스에서 print() 함수를 호출하면 Person::print()가 두 번 호출되는 문제가 발생. 이는 Student::print()와 Teacher::print() 각각에서 Person::print()를 호출하기 때문

 

해결 방법: 가상 상속을 사용하여 Person 클래스를 가상 기본 클래스로 만들면, TA 클래스에는 Person 클래스의 단일 인스턴스만 존재하게 되어 Person::print()가 두 번 호출되는 문제가 해결된다.

 

 

 

가상 함수와 키워드 사용

• 가상 함수(Virtual Function)는 클래스의 다형성(Polymorphism)을 구현하기 위해 사용된다.
• virtual, override, final 키워드는 가상 함수와 관련된 명시적인 정보를 제공한다.
  • virtual: 부모 클래스에서 가상 함수로 선언된 함수를 의미하며, 파생 클래스에서 재정의(override)될 수 있습니다.
  • override: 부모 클래스에서 정의된 가상 함수를 재정의하고 있다는 것을 명시적으로 나타냄. 이는 실수를 줄이고, 코드의 명확성을 높인다
  • final: 이 함수가 더 이상 하위 클래스에서 재정의되지 않도록 할 때 사용함. 이로 인해 클래스의 동작이 확실히 고정되며, 의도하지 않은 오버라이딩을 방지한다
  • 가상 함수 선언에서 이들 중 하나만 명시하는 것이 바람직하다. 이는 코드의 단순성과 명확성을 높이며, 불필요한 중복을 피할 수 있다.

이를 통해 2가지 오류를 제거할 수 있다 : implicit virtual, implicit override

 

 

 

 

가상 소멸자(Virtual Destructor)

 

가상 소멸자(Virtual Destructor)는 가상 함수가 있는 클래스에서 중요하다 기본(Base) 클래스의 포인터를 통해 파생 클래스 객체를 삭제할 때, 파생 클래스의 소멸자가 호출되지 않으면 리소스 누수가 발생할 수 있기 때문에, 소멸자는 가상으로 선언되어야 한다. 이는 delete 연산자가 기본 클래스의 포인터로 호출될 때, 올바른 파생 클래스의 소멸자가 호출되도록 보장한다.

• 가상 소멸자는 주로 public 또는 protected로 선언된다
• Public 가상 소멸자는 클래스 외부에서 객체를 안전하게 삭제할 수 있게 해준다
• Protected 가상 소멸자는 클래스의 외부에서 직접 객체를 삭제할 수 없도록 제한하지만, 파생 클래스 내부에서는 안전하게 삭제가 가능하다

 

 

 

<참고 : JAVA 클래스의 모든 메서드는 virtual 클래스이다. 즉 JAVA에서는 함수 재정의는 곧 오버라이딩이다>