< 김영한의 실전 자바 - 기본편 > 강의를 보고 이해한 내용을 바탕으로 합니다.

다형성

객체지향 프로그래밍의 대표적인 특징으로는 캡슐화, 상속, 다형성이 있다.
그 중에서 🌼다형성은 객체지향 프로그래밍의 꽃🌼이라 불린다.
앞서 공부한 캡슐화나 상속은 직관적으로 이해하기 쉬운 반면에 다형성은 제대로 이해하기도 어렵고 잘 활용하기에 더 어렵다.
하지만 좋은 개발자가 되려면 다형성에 대한 이해는 필수다!😎

다형성(polymorphism)은 이름 그대로 '다양한 형태', '여러 형태'를 뜻한다.
프로그래밍에서 ⭐️다형성은 한 객체가 여러 타입의 객체로 취급될 수 있는 능력⭐️을 뜻한다. 보통 하나의 객체는 하나의 타입으로 고정되어 있으나 다형성을 사용하면 하나의 객체가 다른 타입으로 사용될 수 있다는 뜻이다.

다형성을 이해하기 위해서는 크게 두가지 핵심 이론을 알아야 한다.

• 다형적 참조
• 메서드 오버라이딩

다형적 참조

public class Parent {
    public void parentMethod(){
        System.out.println("Parent.parentMethod");
    }
}

public class Child extends Parent {
    public void childMethod() {
        System.out.println("Child.childMethod");
    }
}

public class PolyMain {
    public static void main(String[] args) {
        //부모 변수가 부모 인스턴스 참조
        System.out.println("Parent -> Parent");
        Parent parent = new Parent();
        parent.parentMethod();
    }
}

부모 타입의 변수가 부모 인스턴스 참조

• 부모 타입의 변수가 부모 인스턴스를 참조한다.
• 부모 타입인 Parent를 생성했기 때문에 메모리 상에 Parent만 생성된다.
• 생성된 참조값을 Parent타입의 변수인 parent에 담아둔다.
• parent.parentMethod()를 호출하면 인스턴스의 Parent클래스에 있는 parentMethod()가 호출된다.

자식 타입의 변수가 자식 인스턴스 참조

• 자식 타입의 변수가 자식 인스턴스를 참조한다.
• 자식 타입인 Child를 생성했기 때문에 메모리 상에 Child와 Parent가 모두 생성된다.
• 생성된 참조값을 Child타입의 변수인 child에 담아둔다.
• child.childMethod()를 호출하면 인스턴스의 Child클래스에 있는 childMethod()가 호출된다.
  
  

다형적 참조 : 부모 타입의 변수가 자식 인스턴스 참조

• 부모 타입의 변수가 자식 인스턴스를 참조한다.
• Parent poly = new Child();
• Child 인스턴스를 만들었다. 이 경우 자식 타입인 Child를 생성했기 때문에 메모리 상에 Child와 Parent가 모두 생성된다.
• 생성된 참조값을 Parent 타입의 변수인 poly에 담아둔다.

부모는 자식을 담을 수 있다.

• 부모 타입은 자식 타입을 담을 수 있다.
• Parent poly는 부모 타입이다. new Child()를 통해 생성된 결과는 Child타입이다. 자바에서 부모 타입은 자식 타입을 담을 수 있다. 반대로 자식 타입은 부모 타입을 담을 수 없다.
  • Parent poly = new Child(); // success
  • Child child1 = new Parent(); //compile error

지금까지는 항상 같은 타입에 참조를 대입했다. 그래서 보통 한가지 형태만 참조할 수 있다.

• Parent parent = new Parent()
• Child child = new Child()

그런데 Parent타입의 변수는 다음과 같이 자신인 Parent는 물론이고 자식 타입까지 참조할 수 있다. 만약 손자가 있다면 손자도 그 하위 타입도 참조할 수 있다.

• Parent poly = new Parent()
• Parent poly = new Child()
• Parent poly = new Grandson() //Child 하위 클래스

자바에서 부모 타입은 자신은 물론이고, 자신을 기준으로 모든 자식 타입을 참조할 수 있다. 이것이 바로 다양한 형태를 참조할 수 있다고 해서 다형적 참조라 한다.

다형적 참조와 인스턴스 실행

poly.parentMethod()를 호출하면 먼저 참조값을 사용해서 인스턴스를 찾는다.
그리고 인스턴스 안에서 실행할 타입도 찾아야한다.
poly는 Parent타입이다. 따라서 Parent클래스부터 시작해서 필요한 기능을 찾는다. 인스턴스의 Parent클래스에 parentMethod()가 있다. 따라서 해당 메서드가 호출된다.

다형적 참조의 한계

Parent poly = new Child() 이렇게 자식을 참조한 상황에서 poly가 자식 타입인 Child에 있는 childMethod()를 호출하면 어떻게 될까?
poly.childMethod()를 실행하면 먼저 참조값을 통해 인스턴스를 찾는다.
그리고 다음으로 인스턴스 안에서 실행할 타입을 찾아야 한다.

호출자인 poly는 Parent타입이다. 따라서 Parent클래스부터 시작해서 필요한 기능을 찾는다. 그런데 상속 관계는 부모 방향으로 찾아 올라갈 수는 있지만 자식 방향으로 찾아 내려갈 수는 없다. Parent는 부모 타입이고 상위에 부모가 없다. 따라서 childMethod()를 찾을 수 없으므로 컴파일 오류가 발생한다.

이런 경우에 childMethod()를 호출하고 싶다면?
바로 캐스팅이 필요하다.

다형성 참조의 핵심은 부모는 자식을 품을 수 있다는 것이다.

다형성과 캐스팅

public class CastingMain1 {
    public static void main(String[] args) {
        //부모 변수가 자식 인스턴스 참조(다형적 참조)
        Parent poly = new Child();
        //단 자식의 기능은 호출할 수 없다.
        //poly.childMethod(); //compile error

        //다운캐스팅(부모타입 -> 자식타입)
        Child child = (Child) poly;
        child.childMethod();
    }
}

다운캐스팅

호출하는 타입을 자식인 Child타입으로 변경하면 인스턴스의 Child에 있는 childMethod()를 호출할 수 있다. 하지만 다음과 같은 문제가 있다.

부모는 자식을 담을 수 있지만 자식은 부모를 담을 수 없다.

• Parent parent = new Child() : 부모는 자식을 담을 수 있다.
• Parent parent = child : 부모는 자식을 담을 수 있다.
  
  

반면에 자식은 부모를 담을 수 없다.
Child child = poly // compile error
부모 타입을 사용하는 변수를 자식 타입에 대입하려고 하면 컴파일 오류가 발생한다. 자식은 부모를 담을 수 없기 때문이다. => 다운캐스팅을 사용해서 부모 타입을 잠깐 자식 타입으로 변경하면 된다.

Child child = (Child) poly //Parent poly
(타입) 처럼 괄호와 그 사이에 타입을 지정하면 참조 대상을 특정 타입으로 변경할 수 있다. 이렇게 특정 타입으로 변경하는 것이 바로 캐스팅이라 한다.
poly는 Parent타입이다. 이 타입을 (Child)를 사용해서 일시적으로 자식 타입인 Child타입으로 변경한다. 그리고 나서 왼쪽에 있는 Child child에 대입한다.

Child child = (Child) poly; //다운캐스팅을 통해 부모타입을 자식 타입으로 변환한 다음에 대입 시도
Child child = (Child) x001 // 참조값을 읽은 다음 자식 타입으로 지정
Child child = x001 //최종 결과

참고로 캐스팅을 한다고 해서 Parent poly의 타입이 변하는 것은 아니다. 해당 참조값을 꺼내고 꺼낸 참조값이 Child타입이 되는 것이다. 따라서 poly의 타입은 Parent로 기존과 같이 유지된다.

캐스팅

• 업캐스팅 : 부모 타입으로 변경
• 다운캐스팅 : 자식 타입으로 변경

Child child = (Child) poly;
child.childMethod();

다운 캐스팅 덕분에 child.childMethod()를 호출할 수 있게 되었다.
childMethod()를 호출하기 위해 해당 인스턴스를 찾아간 다음 Child타입을 찾는다. Child타입에는 childMethod()가 있으므로 해당 기능을 호출할 수 있다.

캐스팅의 종류

일시적 다운 캐스팅

자식 타입의 기능을 사용하려면 다음과 같이 다운캐스팅 결과를 변수에 담아두고 이후에 기능을 사용하면 된다.

Child child = (Child) poly;
child.childMethod();

하지만 다운캐스팅 결과를 변수에 담아두는 과정이 번거롭다. 이런 과정 없이 일시적으로 다운캐스팅해서 인스턴스에 있는 하위 클래스의 기능을 바로 호출할 수 있다.

public class CastingMain2 {
    public static void main(String[] args) {
        //부모 변수가 자식 인스턴스 참조(다형적 참조)
        Parent poly = new Child();
        //단 자식의 기능은 호출할 수 없다.
        //poly.childMethod(); //compile error
        
        //일시적 다운캐스팅 - 해당 메서드를 호출하는 순간만 다운캐스팅
        ((Child) poly).childMethod();
    }
}

((Child) poly).childMethod()
poly는 Parent타입이다. 그런데 이 코드를 실행하면 Parent타입을 임시로 Child로 변경한다. 그리고 메서드를 호출할 때 Child 타입에서 찾아와 실행한다.

정확히는 poly가 Child타입으로 바뀌는 것은 아니다.

((Child) poly).childMethod() //다운캐스팅을 통해 부모 타입을 자식 타입으로 변환 후 기능 호출
((Child) x001).childMethod() //참조값을 읽은 다음 자식 타입으로 다운캐스팅

얘 또한 캐스팅을 한다고 해서 Parent poly의 타입이 변하는 것은 아니다. (해당 참조값을 꺼내고 꺼낸 참조값이 Child타입이 되는 것이다. 따라서 poly의 타입은 Parent로 기존과 같이 유지된다.)

이렇게 일시적으로 다운캐스팅을 사용하면 별도의 변수 없이 인스턴스의 자식 타입의 기능을 사용할 수 있다.

업캐스팅

다운 캐스팅과 반대로 현재 타입을 부모 타입으로 변경하는 것을 업캐스팅이라고 한다.

//upcasting vs downcasting
public class CastingMain3 {
    public static void main(String[] args) {
        Child child = new Child();
        Parent parent1 = (Parent) child; //업캐스팅은 생략 가능, 생략 권장
        Parent parent2 = child; //업캐스팅 생략

        parent1.parentMethod();
        parent2.parentMethod();
    }
}

Parent parent1 = (Parent) child
Child타입을 Parent타입에 대입해야한다. 따라서 타입을 변환하는 캐스팅이 필요하다.
그런데 부모 타입으로 변환하는 경우에는 다음과 같이 캐스팅 코드인 타입을 생략할 수 있다.
Parent parent2 = child

업캐스팅은 생략할 수 있다. 다운캐스팅은 생략할 수 없다. 참고로 업캐스팅은 매우 자주 사용하므로 생략을 권장한다.
자바에서 부모는 자식을 담을 수 있으나 그 반대는 안된다.(꼭 필요하다면 다운캐스팅을 해야한다.)

왜 업캐스팅은 생략해도 되고 다운캐스팅은 직접 명시해주어야할까???

다운캐스팅과 주의점

다운캐스팅은 잘못하면 심각한 런타임 오류가 발생할 수 있다.

//다운캐스팅을 자동으로 하지 않는 이유
public class CastingMain4 {
    public static void main(String[] args) {
        Parent parent1 = new Child();
        Child child1 = (Child) parent1;
        child1.childMethod();

        Parent parent2 = new Parent();
        Child child2 = (Child) parent2;
        child2.childMethod();
    }
}

//실행 결과
Exception in thread "main" java.lang.ClassCastException: class poly.basic.Parent cannot be cast to class poly.basic.Child (poly.basic.Parent and poly.basic.Child are in unnamed module of loader 'app')
	at poly.basic.CastingMain4.main(CastingMain4.java:11)

child1.childMethod();는 잘 호출되었지만 child2.childMethod();는 실행되지 못하고 그 전에 오류가 발생했다.

부모 타입으로 객체를 생성했기 때문에 메모리 상에서 자식 타입은 전혀 존재하지 않는다. 따라서 Child 자체를 사용할 수 없는 것이다.
자바에서는 이렇게 사용할 수 없는 타입으로 다운캐스팅 하는 경우에 ClassCastException이라는 예외를 발생시킨다.
예외가 발생하면 다음 동작이 실행되지 않고 프로그램이 종료된다.
따라서 child2.childMethod() 코드 자체가 실행되지 않는다.

업캐스팅이 안전하고 다운캐스팅이 위험한 이유

업캐스팅의 경우 이런 문제가 절대로 발생하지 않는데 왜냐하면 객체를 생성하면 해당 타입의 상위 부모 타입은 모두 함께 생성되기 때문이다!
따라서 위로만 타입을 변경하는 업캐스팅은 메모리 상에 인스턴스가 모두 존재하기 때문에 항상 안전하다. 따라서 캐스팅을 생략할 수 있다.

반면에 다운캐스팅의 경우 인스턴스에 존재하지 않는 하위 타입으로 캐스팅하는 문제가 발생할 수 있다. 객체를 생성하면 부모 타입은 모두 함께 생성되지만 자식 타입은 생성되지 않기 때문이다. 따라서 개발자가 이런 문제를 인지하고 사용해야 한다는 의미로 명시적으로 캐스팅을 해주어야 한다.

컴파일 오류 vs 런타임 오류

• 컴파일 오류 : 변수명 오타, 잘못된 클래스 이름 사용 등 자바 프로그램을 실행하기 전에 발생하는 오류. -> IDE에서 즉시 확인할 수 있기 때문에 안전하고 좋은 오류다.
• 런타임 오류 : 프로그램이 실행되고 있는 시점에 발생하는 오류. -> 고객이 해당 프로그램을 실행하는 도중에 발생하기 때문에 매우 안좋은 오류..🥲

instanceof

다형성에서 참조형 변수는 이름 그대로 다양한 자식을 대상으로 참조할 수 있다.
그런데 참조하는 대상이 다양하기 때문에 어떤 인스턴스를 참조하고 있는 확인하려면 어떻게 해야할까?

Parent parent1 = new Parent()
Parent parent2 = new Child()

여기에서 Parent는 자신과 같은 Parent의 인스턴스도 참조할 수 있고, 자식 타입인 Child의 인스턴스도 참조할 수 있다. 이때 parent1, parent2 변수가 참조하는 인스턴스의 타입을 확인하고 싶으면 instanceof키워드를 사용하면 된다.

public class CastingMain5 {
    public static void main(String[] args) {
        Parent parent1 = new Parent();
        System.out.println("parent1 호출");
        call(parent1);

        Parent parent2 = new Child();
        System.out.println("parent2 호출");
        call(parent2); //Child 인스턴스 맞음
    }

    private static void call(Parent parent){
        parent.parentMethod();

        if (parent instanceof Child){
            System.out.println("Child 인스턴스 맞음");
            Child child = (Child) parent;
            child.childMethod();;
        }
    }
}

call(Parent parent)메서드는 매개변수로 넘어온 parent가 참조하는 타입에 따라서 다른 명령을 수행한다.
지금처럼 다운캐스팅을 수행하기 전에 먼저 instanceof를 사용해서 원하는 타입으로 변경이 가능한지 확인한 다음 다운 캐스팅을 수행하는 것이 안전하다.

해당 메서드를 처음 호출할 때 parent는 Parent의 인스턴스를 참조한다.

parent instanceof Child // parent는 Parent의 인스턴스
new Parent() instanceof Child //false

해당 메서드를 다음으로 호출할 때 parent는 Child의 인스턴스를 참조한다.

parent instanceof Child // parent는 Child의 인스턴스
new Child() instanceof Child //true

참고로 instanceof 키워드는 오른쪽 대상의 자식 타입을 왼쪽에서 참조하는 경우에도 true를 변환한다.

parent instanceof Parent //parent는 Child의 인스턴스

new Parent() instanceof Parent //parent가 Parent의 인스턴스를 참조하는 경우:true
new Child() instanceof Parent //parent가 Child의 인스턴스를 참조하는 경우:true

=> 오른쪽에 있는 타입에 왼쪽에 있는 인스턴스의 타입이 들어갈 수 있는지 대입해보면 된다. 대입이 가능하면 true, 불가능하면 false.

new Parent() instanceof Parent
Parent p = new Parent() //같은타입. true

new Child() instanceof Parent
Parent p = new Child() //부모는 자식을 담을 수 있다. true

new Parent() instanceof Child
Child c = new Parent() //자식은 부모를 담을 수 없다. false

new Child() instanceof Child
Child c = new Child() //같은타입. true

자바 16 - Pattern Matching for instanceof

자바 16부터는 instanceof 를 사용하면서 동시에 변수를 선언할 수 있다.

private static void call(Parent parent){
        parent.parentMethod();

        //Child 인스턴스인 경우 childMethod() 실행
        if (parent instanceof Child child){
            System.out.println("Child 인스턴스 맞음");
            child.childMethod();;
        }
    }

다형성과 메서드 오버라이딩

다형성을 이루는 또 하나의 중요한 핵심 이론은 바로 메서드 오버라이딩이다!
메서드 오버라이딩에서 꼭 기억해야할 점은 ⭐️오버라이딩 된 메서드가 항상 우선권을 가진다⭐️는 점이다.
(그래서 이름도 기존 기능을 덮어 새로운 기능을 재정의 한다는 뜻의 오버라이딩이다.)
메서드 오버라이딩의 진짜 힘은 다형성과 함께 사용할 때 나타난다.

public class Parent {
    public String value = "parent";

    public void method(){
        System.out.println("Parent.method");
    }
}

public class Child extends Parent {
    public String value = "child";

    @Override
    public void method() {
        System.out.println("Child.method");
    }
}

public class OverridingMain {
    public static void main(String[] args) {
        //자식변수 자식인스턴스 참조
        Child child = new Child();
        System.out.println("Child -> child");
        System.out.println("value = " +child.value);
        child.method();


        //부모변수 부모인스턴스 참조
        Parent parent = new Parent();
        System.out.println("Parent -> parent");
        System.out.println("value = " + parent.value);
        parent.method();

        //부모 변수가 자식 인스턴스 참조(다형적 참조)
        Parent poly = new Child();
        System.out.println("Parent -> Child");
        System.out.println("value = " + poly.value); //변수는 오버라이딩 되지 않는다.
        poly.method(); //메서드는 오버라이딩 된다.

    }
}

//실행결과
Child -> child
value = child
Child.method
Parent -> parent
value = parent
Parent.method
Parent -> Child
value = parent
Child.method

• poly 변수는 Parent타입이다. 따라서 poly.value, poly.method()를 호출하면 인스턴스의 Parent타입에서 기능을 찾아서 실행한다.
  • poly.value : Parent타입에 있는 value값을 읽는다.
  • poly.method() : Parent타입에 있는 method()를 실행하려고 한다. 그런데 하위 타입인 Child.method()가 오버라이딩 되어 있다. 오버라이딩 된 메서드는 항상 우선순위를 가진다. 따라서 Parent.method()가 아니라 Child.method()가 실행된다.

오버라이딩 된 메서드는 항상 우선권을 가진다.
오버라이딩은 부모 타입에서 정의한 기능을 자식 타입에서 재정의하는 것이다. 만약 자식에서도 오버라이딩, 손자에서도 같은 메서드를 오버라이딩 하면 손자의 오버라이딩 메서드가 우선권을 가진다.
=> 가장 하위의 오버라이딩 된 메서드가 우선권을 가진다!!

[정리]

• 다형적 참조 : 하나의 변수 타입으로 다양한 자식 인스턴스를 참조할 수 있는 기능
• 메서드 오버라이딩 : 기존 기능을 하위 타입에서 새로운 기능으로 재정의.