[C++] 상속 심화

강민석·2022년 10월 18일

C c++11 이것이C++이다

이것이 C++이다

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7.1 가상 함수

'가상 함수(Virtual Function)'는 virtual 예약어를 앞에 붙여서 선언한 메서드를 말한다.
가상 함수는 '자기 부정'을 전제로 작동한다.
일반 메서드는 참조 형식을 따르고, 가상 함수는 실 형식을 따른다.
가상 함수의 호출은 미래에 파생 클래스에서 재정의될 함수를 호출하는것이다.
가상 함수를 적절히 사용하기 위해선, 해당 함수가 어디에서 호출되는지 파악하는것이 중요하다.

7.1.3 소멸자 가상화

상위 클래스로 하위 파생 클래스를 참조할 때, 심각한 메모리 누수 오류가 발생할 수 있다.

// 기본 클래스
class CMyData {
public:
    CMyData() { m_pszData = new char[32]; }
    ~CMyData() {
        cout << "~CMyData()" << endl;
        delete m_pszData;
    }

private:
    char *m_pszData;
};

// CMyData의 파생 클래스
class CMyDataEx {
public:
    CMyDataEx() { m_pnData = new int; }
    ~CMyDataEx() {
        cout << "~CMyDataEx()" << endl;
        delete m_pnData;
    }
private:
    int *m_npnData;
};

int main(int argc, char* argv[]) {
    CMyData *pData = new CMyDataEx;

    // 참조 형식에 해당하는 소멸자(CMyData::~CMyData())가 호출된다.
    delete pData;

    return 0;
}

위와 같은 경우에 참조 형식에 해당하는 소멸자(CMyData::~CMyData())만 호출되므로, CMyDataEx의 멤버 변수인 *m_pnData의 메모리는 해제되지 않는다.
- 메모리 누수 오류 발생
- 소멸자를 가상화 하여 문제를 해결할 수 있다.
```
virtual ~CMyData() {
    cout << "~CMyData()" << endl;
    delete m_pszData;
}
```
기본 클래스의 소멸자를 가상화하면 파생 클래스의 소멸자까지 제대로 호출된다.

7.2 가상 함수 테이블(vtable)

'Virtual function table(vtable)'
vtable은 '함수 포인터 배열'이라고 이해하면 쉽다.

class CMyData {
public:
    CMyData() {
        cout << "CMyData()" << endl;
    }
    virtual ~CMyData() { }
    virtual void TestFunc1() { }
    virtual void TestFunc2() { }
};

class CMyDataEx: public CMyData {
public:
    CMyDataEx() {
        cout << "CMyDataEx()" << endl;
    }
    virtual ~CMyDataEx() { }
    virtual void TestFunc1() { }
    virtual void TestFunc2() {
        cout << "TestFunc2()" << endl;
    }
}

int main(int argc, char* argv[]) {
    CMyData *pData = new CMyDataEx;
    pData->TestFunc2();
    delete pData;

    return 0;
}

클래스의 this 포인터 아래에는 __vfptr 이라는 지역변수가 존재한다.
이것이 바로 'vtable 포인터'인데, 이 포인터를 통해 가상 함수로 선언된 멤버 함수들의 주소에 배열 형태로 접근할 수 있다.
위 예제에서 파생 클래스인 CMyDataEx의 생성자가 호출되면 이어서 기본 클래스인 CMyData의 생성자가 호출된다.
CMyData의 생성자가 실행되면 __vfptr은 CMyData 내부에 정의된 두 가상함수의 주소를 가리키게 된다.
뒤이어 CMyDataEx의 생성자가 실행되면 __vfptr은 CMyDataEx 내부에 재정의된 두 가상함수의 주소값으로 덮어씌워진다.
따라서 참조 형식이 CMyData인 변수 *pData의 vtable은 실 형식인 CMyDataEx의 가상 함수를 가리키고 있으므로 CMyDataEx::TestFunc2()가 호출되는 것이다.

함수나 변수의 주소가 컴파일 타임에 결정되면 '이른 바인딩(Early binding)', 프로그램 실행중에 결정되면 '늦은 바인딩(Late/Dynamic binding)'이라고 한다.
- 가상 함수의 경우는 '늦은 바인딩'에 해당된다. (인스턴스가 생성되는 시점에 함수의 주소가 결정되므로)

7.3 순수 가상 클래스

'순수 가상 클래스'는 '순수 가상 함수'를 멤버로 가진 클래스를 의미한다.
'순수 가상 함수'는 정의부가 생략된, 즉 선언부만 존재하는 함수를 의미한다.
- 정의부를 단순히 생략하는 것이 아니라, = 0을 꼭 넣어줘야 한다.
- ex) virtual int GetData() const = 0;
순수 가상 클래스는 인스턴스를 직접 생성할 수 없으며(상속을 통해 파생 클래스의 인스턴스를 생성할 수 있음), 파생 클래스는 기본 클래스의 순수 가상 함수를 반드시 재정의 해야한다.
맥락상 자바의 Abstract Class 내지는 Interface 정도로 이해하면 될 듯 하다.

7.4 상속과 형변환

C++의 형변환 연산자는 다음 네 가지이다.
- const_cast<> : 상수형 포인터에서 const를 제거한다.
- static_cast<> : 컴파일 시 상향 혹은 하향 형변환한다.
- dynamic_cast<> : 런탐임 시 상향 혹은 하향 형번환한다.
- reinterpret_cast<> : C의 형변환 연산자와 비슷하다. (??)

7.4.1 static_cast

상속 관계일 때 파생 형식을 기본 형식(부모 클래스의 형식)으로 포인팅할 수 있다. (묵시적인 상향 형변환)
기본 형식 포인터가 가리키는 대상을 파생 형식 포인터로 형변환하는 '하향 형변환'은 상속 관계에서만 가능하다.

하향 형변환 예제

class CMyData {
public:
    CMyData() { }
    virtual ~CMyData() { }
    void SetData(int nParam) { m_nData = nParam; }
    int GetData() { return m_nData; }

private:
    int m_nData = 0;
};

class CMyDataEx: public CMyData {
public:
    void SetData(int nParam) {
        if(nParam > 10)
            nParam = 10;

        CMyData::SetData(nParam);
    }

    void PrintData() {
        cout << "PrintData(): " << GetData() << endl;
    }
};

int main(int argc, char* argv[]) {
    CMyData *pData = new CMyDataEx;
    CMyDataEx *pNewData = NULL;

    pData->SetData(15);

    // 기본 형식에 대한 포인터지만, 실제로 가리키는 대상은 파생 형식이다.
    // 따라서 다음과 같이 파생 형식에 대한 포인터로 '하향 형변환'이 가능하다.
    pNewData = static_cast<CMyDataEx*>(pData);
    pNewData->PrintData();

    delete pData;

    return 0;
}

7.4.2 dynamic_cast

dynamic_cast가 등장했다는 것은 좋지 못한 방향으로 흘러가고 있다는 증거.
꼭 필요한 경우가 아니라면 dynamic_cast는 절대 사용하지 말자.

7.5 상속과 연산자 다중 정의

기본적으로 모든 연산자는 파생 형식에 자동으로 상속된다. (단순 대입 연산자 제외)
기본 형식에 + 연산자 함수가 정의되어 있는 경우, 함수의 반환값은 기본 클래스의 인스턴스이므로 파생 클래스의 인스턴스에 대입할 수 없다.

다음과 같이 파생 클래스에 + 연산자 함수를 정의하여 해결할 수 있다.

class CMyDataEx: public CMyData {
public:
    CMyDataEx(int nParam): CMyData(nParam) { }
    CMyDataEx operator+(const CMyDataEx &rhs) {
        return CMyDataEx(static_cast<int>(CMyData::operator+(rhs)));
    }
};

알맹이는 상위 클래스의 것을 사용하고 인터페이스만 맞춰줄 생각이라면, 다음과 같이 간단하게 해결 가능하다.

class CMyDataEx: public CMyData {
    public:
        CMyDataEx(int nParam): CMyData(nParam) { }

        using CMyData::operator+;
        using CMyData::operator=;
}