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가상 함수의 원리

  • 가상 함수가 1개 이상 포함 되어 있으면 컴파일러가 객체 주소에 가상 함수 테이블 포인터가 추가함
  • 가상 함수 테이블은 Class 별로 생성되어 RTTI 정보를 포함한 모든 가상함수 주소를 제공
  • 상속 받은 클래스의 가상 함수 테이블은 기본적으로 기반 클래스의 가진 가상 함수 주소를 가르키지만 파생 클래스에서 override하여 구현한 함수에 대해서는 구현한 가상함수의 주소를 가르킴
  • 가상함수 갯수가 많으면 오버헤드가 있음

가상함수 호출 원리

 

class Animal
{
    int age;
public:
    virtual ~Animal() {}
    virtual void foo() {}
    virtual void goo() {}
};

class Dog : public Animal
{
    int color;
public:
    virtual ~Dog() {}
    virtual void foo() override {}
};

int main()
{
    Animal a1, a2;
    Dog d1, d2;
    
    Animal* p = &d1;    
    p->foo(); // 내부적으로 p->vtptr[?]() 호출
}
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static binding

  • 컴파일러가 컴파일 시간에 함수 호출을 결정
  • 포인터 타입으로 함수 호출을 결정
  • 빠름, 하지만, 비 이성적임
  • 이른 바인딩( Early Binding )
  • C++의 non-virtual function

 

dynamic binding

  • 실행 시간에 함수 호출을 결정
  • 포인터가 가리키는 메모리를 조사후 결정
  • 느림. 하지만, 이성적
  • 늦은 바인딩( Late Binding )
  • java, C++의 virtual function
// Static binding
class Animal
{
public:
    void Cry() { std::cout << "A Cry" << std::endl; }
};

class Dog : public Animal
{
public:
    void Cry() { std::cout << "D Cry" << std::endl; }
};

int main()
{
    Animal a;
    Dog d;

    Animal* p = &d;
    p->Cry();   // C++ : A
                // JAVA : D
}
// Dynamic binding
class Animal
{
public:
    virtual void Cry() { std::cout << "A Cry" << std::endl; }
};

class Dog : public Animal
{
public:
    virtual void Cry() override { std::cout << "D Cry" << std::endl; }
};

int main()
{
    Animal a;
    Dog d;

    Animal* p = &d;
    p->Cry();   // C++ : A
                // JAVA : D
}
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  • 강한 결합(Tightly coupling)
    • 하나의 클래스가 다른 클래스를 사용할 때 서로의 이름을 직접 사용하는 것
    • 교체 불가능하고 확장성이 없음
class Camera
{
public:
    void take()
    {
        std::cout << "task picture" << std::endl;
    }
};

class HDCamera
{
public:
    void take()
    {
        std::cout << "task picture" << std::endl;
    }
};

class People
{
public:
    void useCamera(Camera* p) { p->take(); } // People이 Camera를 직접 접근
    void useCamera(HDCamera* p) { p->take(); } // People이 HDCamera를 직접 접근
};

int main()
{
    People p;
    Camera c1;
    p.useCamera(&c1);

    HDCamera c2;
    p.useCamera(&c2);
}

약한 결합(Loosely coupling)

  • 하나의 클래스가 다른 클래스를 사용할 때 인터페이스(추상 클래스)를 사용하는 것
  • 교체 가능하고, 확장성이 높음
// 사람과 카메라사이의 규칙 설계
// 모든 카메라는 ICamera 인터페이스를 구현 해야 함
class ICamera
{
public:
    virtual void take() = 0;
};

class People
{
public:
    void useCamera(ICamera* p) { p->take(); } // People이 공통 인터페이스(ICamera)로 접근
};

// 모든 카메라는 규칙을 지켜야 한다
class Camera : public ICamera
{
public:
    virtual void take() override
    {
        std::cout << "task picture1" << std::endl;
    }
};

class HDCamera : public ICamera
{
public:
    virtual void take() override
    {
        std::cout << "task picture2" << std::endl;
    }
};

int main()
{
    People p;
    Camera c1;
    p.useCamera(&c1);

    HDCamera c2;
    p.useCamera(&c2);
}
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추상 클래스(Abstract Class)

  • 순수 가상 함수(Pure Virtual Function)
    • 함수 구현부가 없고 선언부가 "=0"으로 끝나는 가상함수
  • 추상 클래스(Abstract Class)
    • 순수 가상 함수가 한개 이상 있는 클래스
  • 추상 클래스 특징
    • 객체를 만들 수 없음
    • 포인터 타입은 만들 수 있음
  • 추상클래스로 부터 상속 받은 클래스가 순수 가상함수의 구현부를 제공하지 않으면 추상 클래스
  • 추상 클래스의 의도
    • 파생 클래스에게 특정 함수를 반드시 구현을 지시하는 것
    • 인터페이스
#include <iostream>
#include <vector>

// 추상 클래스
class Shape
{
public:
    virtual void Draw() = 0; // 순수 가상함수
};

// 구체 클래스(concerect class)
class Rect : public Shape
{
public:
    virtual void Draw() override
    {

    }
};

int main()
{
    Shape* p; // 추상클래스 포인트는 만들 수 있음
    Rect r; // 추상 클래스를 상속받은 클래스에서 순수 가상함수를 구현하지 않으면 error
}

 

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도형편집기로 배우는 객체지향 프로그래밍

  • 각 도형을 타입으로 만들면 편함
  • 모든 도형 공통의 기반 클래스가 있으면 각 도형을 묶어서 관리 할 수 있음
  • 모든 도형의 공통의 특징(Draw)는 반드시 기반 클래스(Shape)에도 있어야 함
  • 기반 클래스의 함수 중 파생 클래스가 재정의 하게 되는 모든 함수는 가상함수가 되어야 함

다형성(Polymorphism)

  • 동일한 코드 표현(함수 호출)이 상황에 따라 다르게 동작하는 것
  • OCP(Open Close Principle)
    • 기능 확장에는 열려(Open) 있고 코드 수정에는 닫혀(Close) 있어야 한다는 이론(Principle)
    • 다형성은 OCP를 만족할 수 있는 좋은 코드
#include <iostream>
#include <vector>

// 도형
class Shape
{
public:
    virtual void Draw()
    {
        std::cout << "Shape Draw" << std::endl;
    }
};

// 사각형
class Rect : public Shape
{
public:
    virtual void Draw() override
    {
        std::cout << "Rect Draw" << std::endl;
    }
};

// 원
class Circle : public Shape
{
public:
    virtual void Draw() override
    {
        std::cout << "Circle Draw" << std::endl;
    }
};

// 삼각형
class triangle : public Shape
{
public:
    virtual void Draw() override
    {
        std::cout << "Circle Draw" << std::endl;
    }
};

int main()
{
    std::vector<Shape*> v1; // 도형 저장 버퍼

    while (1)
    {
        int n;
        std::cin >> n;

        if (n == 1) v1.push_back(new Rect); // 사용자 입력이 1일때 사각형 추가
        else if (n == 2) v1.push_back(new Circle); // 사용자 입력이 2일때 원형 추가
        else if (n == 9) // 사용자 입력이 9일때 추가된 도형 전체 출력
        {
            for (int i = 0; i < v1.size(); i++)
                v1[i]->Draw(); // 다형성(Polymorphism) 특징
        }
    }
}
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오버라이드

  • function override
    • 기반 클래스의 함수를 파생 클래스에서 재정의 할 수 있음
  • 기반 클래스의 포인터로 파생 클래스 객체를 가르킬때(Animal* p = &dog)
    • p->Cry() : C++은 Animal::Cry() 호출, java는 Dog::Cry()  호출
  • virtual function
    • 멤버 함수 호출시, 포인터 타입이 아닌 실제 객체에 따라 함수를 호출
    • 실행 시간에 포인터가 가리키는 메모리를 조사한 후 호출 하는것
// 기본 타입 예제
#include <iostream>
#include <vector>

class Animal
{
public:
    void Cry()
    {
        std::cout << "Animal Cry" << std::endl;
    }
};

class Dog : public Animal
{
public:
    // 함수 오버라이드(override)
    void Cry()
    {
        std::cout << "Dog Cry" << std::endl;
    }
};
int main()
{
    Animal a; a.Cry(); // Animal::Cry() 호출
    Dog d; d.Cry(); // Dog::Cry() 호출

    Animal* p = &d;
    p->Cry(); // Animal::Cry() 호출,  C++에서는 포인터 메모리 타입의 함수를 호출함
}

/////////////////////////////////////////////////////////////

// 가상 함수 변경 예저
#include <iostream>
#include <vector>

class Animal
{
public:
    // 가상 함수
    virtual void Cry()
    {
        std::cout << "Animal Cry" << std::endl;
    }
};

class Dog : public Animal
{
public:
    // 함수 오버라이드(override)
    virtual void Cry()
    {
        std::cout << "Dog Cry" << std::endl;
    }
};
int main()
{
    Animal a; a.Cry(); // Animal::Cry() 호출
    Dog d; d.Cry(); // Dog::Cry() 호출

    Animal* p = &d;
    p->Cry(); // Dog::Cry() 호출, 가상 함수이므로 객체에 따라 함수 호출
}

virtual function

  • 가상 함수 재정의(override)시에는 virtual 키워드는 붙여도 되고 붙이지 않아도 됨
  • 가상 함수 재정의시 실수를 막기 위해서 override 키워드를 사용(C++11)
  • 가상 함수를 선언과 구현으로 분리 할때는 선언부에만 virtual, override을 표기
#include <iostream>
#include <vector>

class Animal
{
public:
    virtual void Cry()
    {
        std::cout << "Animal Cry" << std::endl;
    }
};

class Dog : public Animal
{
public:
    // 함수 오버라이드(override)
    virtual void Cry() override // virtual, override를 제거해도 빌드 되지만 실수 방지용
    {
        std::cout << "Dog Cry" << std::endl;
    }
};
int main()
{
    Animal a; a.Cry();
    Dog d; d.Cry();

    Animal* p = &d;
    p->Cry();
}

 

virtual destructor

  • Upcasting사용시 기반 클래스의 소멸자는 반드시 가상 소멸자여야 함
class Base
{
public:
    Base() { std::cout << "Base 자원 할당" << std::endl; }
    virtual ~Base() { std::cout << "Base 자원 해지" << std::endl;  }
};

class Derived : public Base
{
public:
    Derived()
    {
        std::cout << "Derived 자원 할당" << std::endl;
    }
    virtual ~Derived()
    {
        std::cout << "Derived 자원 해지" << std::endl;
    }
};

int main()
{
    Derived* p = new Derived;
    delete p;
}
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Upcasting #1

  • 기반 클래스의 포인터로 파생 클래스를 가리킬 수는 있지만 파생 클래스의 고유한 멤버에 접근은 불가
  • 파생 클래스의 고유 멤버에 접근 하려면 기반 클래스 포인터를 파생 클래스의 포인터 타입으로 캐스팅 해야함
#include <iostream>
#include <string>

class Animal
{
public:
    int age;
    std::string name;
};

class Dog : public Animal
{
public:
    int color;
    int getColor() const { return color; }
};

int main()
{
    Dog dog; // 객체의 포인터 크기, 32bit : 4byte, // 64bit : 64bit

    //int* p = &dog; // error, 서로다른 타입, reinterpret_cast
    Animal* p = &dog; // ok.. 기반 클래스가 -> 파생 클래스를 가르키는 방법
    p->age = 20; // 기반 클래스 멤버
    p->name = "AA"; // 기반 클래스 멤버
    p->color = 1; // 파생 클래스 멤버(error)
    p->getColor(); // 파생 클래스 멤버(error)
    static_cast<Dog*>(p)->color = 10; // 파생 클래스 멤버에 접근을 위해서는 static_cast 필요
}

Upcasting #2

  • 동종(동일한 기반 클래스를 사용하는 클래스)을 처리하는 함수를 만들 수 있음
#include <iostream>
#include <string>

class Animal
{
public:
    int age;
};

class Cat : public Animal {};
class Dog : public Animal {};

void HappyNewYear(Animal* p) // Upcasting이 없으면 Cat*, Dog*... 등의 각 동물별 함수 필요
{
    ++(p->age);
}

int main()
{
    Dog dog;
    HappyNewYear(&dog);

    Cat cat;
    HappyNewYear(&cat);
}
  • 동종을 보관하는 컨테이너를 만들 수 있음
#include <vector>

class Animal
{
public:
    int age;
};

class Cat : public Animal {};
class Dog : public Animal {};

int main()
{
    std::vector<Dog*> v1; // Dog만 보관
    std::vector<Cat*> v2; // Cat만 보관
    std::vector<Animal*> v3; // 모든 동물 보관
}

예제(Composite 패턴)

  • 윈도우 탐색기
    • Folder는 File, Folder를 함께 보관
      • File, Folder는 공통의 기반 클래스가 필요
        • folder : item
        • file : item
      • A, B를 함께 보관하고 싶다면 공통의 기반 클래스가 필요
  • 파워포인트
    • Component
      • Group : Component
      • Shape : Component
        • Rect : Shape
        • Circle : Shape
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상속(Inheritance)

  • 정의
    • 클래스 생성시 다른 클래스의 특성을 그대로 이어 받는 방법
  • 상속 문법
    • Student, Professor의 공통 특징을 모아서 Person 클래스를 설계
    • Student, Professor 클래스를 생성시 Person 클래스를 상속 
  • 대부분의 객체지향 언어에서 제공
    • C+++ : class Student : public Person
    • JAVA : class Student extends Person
    • C# : class Stduent : Person
  • 장점
    • 중복 코드 제거
    • 상속을 통해서 기존 클래스에서 새로운 특징 추가
    • 다형성(Polymorphism)을 활용한 객체 지향 디자인
  • UML 표기법
    • 하위(파생)클래스에서 상위(기반) 클래스를 향하도록 화살표를 사용해서 표기
// 사람의 공통 특성을 각 클래스의 멤버로 소유한 예
class Student
{
    int age; // 사람의 공통 특성
    std::string name; // 사람의 공통 특성
    int id; // 학생 번호
};

class Professor
{
    int age; // 사람의 공통 특성
    std::string name; // 사람의 공통 특성
    int major; // 전공
};

int main()
{

}

///////////////////////////////////////////////////////

// 사람의 공통 특성을 Person 클래스로 분리하여 상송 받은 예
// Base(기반), Super
class Person
{
    int age;
    std::string name;
};

// Derived(파생), Sub
class Student : public Person
{
    int id; // 학생 번호
};

class Professor : public Person
{
    int major; // 전공
};

int main()
{
}

상속(Inheritance)의 접근자

  • private:
    • 멤버함수와 friend 함수만 접근 가능
  • protected:
    • 멤버 함수와 friend 함수 접근 가능
    • 파생 클래스의 멤버 함수, 파생 클래스의 friend함수에서 접근 가능
  • public:
    • 멤버 함수와 모든함수에서 접근 가능
class Base
{
private:
    int a;
protected:
    int b;

public:
    int c;
};

class Derived : public Base
{
public:
    void foo()
    {
        a = 10; // 파생 클래스에서 private 접근 error
        b = 10; // 파생 클래스에서 protected 접근 ok
        c = 10; // 파생 클래스에서 public 접근 ok
    }
};

int main()
{
    Base b;
    b.a = 10; // 일반 함수에서 private 접근 error
    b.b = 10; // 일반 함수에서 protected 접근 error
    b.c = 10; // 일반 함수에서 public 접근 ok
}

상속(inheritance) 생성자/소멸자

  • 파생 클래스 객체 생성시 기반 클래스의 생성자/소멸자도 호출됨
  • 생성자/소멸자 호출 순서
    • 기반 클래스 생성자
    • 파생 클래스 생성자
    • 파생 클래스 소멸자
    • 기반 클래스 소멸자
  • 기반 클래스의 생성자는 항상 디폴트 생성자가 호출됨
    • 기반 클래스에 디폴트 생성자가 없을 경우 기본적으로는 파생 클래스의 객체를 생성 할 수 없음
  • 기반 클래스의 디폴트 생성자가 아닌 다른 생성자를 호출하는 방법
    • 파생클래스의 초기화 리스트에서 기반 클래스의 생성자를 명시적으로 호출
// 파생 클래스 객체 생성시 기반클래스의 디폴트 생성자가 호출 예
#include <iostream>

class Base
{
    int data;
public:
    Base() { std::cout << "Base()" << std::endl;  }
    Base(int a) { std::cout << "Base(int)" << std::endl; }
    ~Base() { std::cout << "~Base()" << std::endl; }
};

class Derived : public Base
{
public:
    Derived() { std::cout << "Derived()" << std::endl; }
    Derived(int a) { std::cout << "Derived(int)" << std::endl; }
    ~Derived() { std::cout << "~Derived()" << std::endl; }
};


int main()
{
    Derived d(5);
}
// 파생 클래스의 생성자에의 파라미터 전달 생성시 기반클래스의 Base(int a) 생성자가 호출 예
#include <iostream>

class Base
{
    int data;
public:
    Base() { std::cout << "Base()" << std::endl;  }
    Base(int a) { std::cout << "Base(int)" << std::endl; }
    ~Base() { std::cout << "~Base()" << std::endl; }
};

class Derived : public Base
{
public:
    Derived() {}
    Derived(int a) : Base(a) {} // 기반 클래스의 Base(int a) 생성자 호출 명시
    ~Derived() {}
};


int main()
{
    Derived d(5);
}

상속(inheritance) 생성자/소멸자 호출 원리

  • 파생 클래스의 생성자에서 기반 클래스의 디폴트 생성자를 호출하는 코드를 컴파일러가 제공함
class Base
{
public:
    Base() { std::cout << "Base()" << std::endl;  }
    Base(int a) { std::cout << "Base(int)" << std::endl; }
    ~Base() { std::cout << "~Base()" << std::endl; }
};

class Derived : public Base
{
public:
    Derived() {} // 컴파일러에 의해 내부 코드가  Derived() : Base() {}
    Derived(int a) {} // 컴파일러에 의해 내부 코드가  Derived(int a) : Base() {}
    ~Derived() {} // 컴파일러에 의해 내부 코드가  ~Derived() { ...; 기반 클래스 소멸자 ~Base();}
};

int main()
{
    Derived d(5);
}

Public 생성자

class Animal
{
public:
    Animal() {}
};

class Dog : public Animal
{
public:
};

int main()
{
    // 다음중 에러를 모두 골라 보세요.
    Animal a; // Error 없음, Animal() {} 생성자 사용
    Dog d; // Error 없음, 컴파일러가 기본 생성자 생성, Animal() {} 생성자 호출
}

Private 생성자

class Animal
{
private:
    Animal() {}
};

class Dog : public Animal
{
public:
};

int main()
{
    // 다음중 에러를 모두 골라 보세요.
    Animal a; // Error, Animal() {} 생성자 private이라 접근 불가
    Dog d; // Error, Dog 생성자는 컴파일러가 제공하고, 기반 클래스인 Animal() {} 생성자 호출시 에러
}

Protected 생성자

  • 자신의 객체는 만들수 없지만 파생 클래스의 객체는 만들 수 있음
  • Animal은 추상적(Abstract) 개념이므로 객체가 존재 불가
  • Dog는 구체적(Concrete) 존재이므로 객체가 존재할 수 있음
class Animal
{
protected:
    Animal() {}
};

class Dog : public Animal
{
public:
};

int main()
{
    // 다음중 에러를 모두 골라 보세요.
    Animal a; // Error, Protect 생성자를 일반 함수에서 호출 불가
    Dog d; // OK, 컴파일러가 Dog 디폴트 생성자 제공하고, Animal Protected 생성자 호출됨
}
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