C++의 가상 함수: 다형성의 핵심

C++에서 가상 함수는 객체 지향 프로그래밍의 다형성을 구현하는 중요한 기능입니다. 가상 함수를 사용하면 부모 클래스의 포인터나 참조를 통해 자식 클래스의 메서드를 호출할 수 있으며, 이를 통해 코드의 유연성을 높이고 다양한 객체를 동일한 방식으로 처리할 수 있습니다. 이 글에서는 가상 함수의 개념, 사용법, 예제, 그리고 주의사항에 대해 자세히 살펴보겠습니다.

1. 가상 함수란?

가상 함수는 부모 클래스에서 선언된 함수로, 자식 클래스에서 재정의할 수 있는 함수입니다. 가상 함수는 virtual 키워드를 사용하여 선언되며, 이를 통해 다형성을 구현할 수 있습니다. 가상 함수를 사용하면, 객체의 실제 타입에 따라 적절한 메서드가 호출됩니다.

1.1 가상 함수의 필요성

• 다형성 구현: 가상 함수를 사용하면 부모 클래스의 포인터나 참조를 통해 자식 클래스의 메서드를 호출할 수 있습니다. 이는 코드의 유연성을 높이고, 다양한 객체를 동일한 방식으로 처리할 수 있게 해줍니다.
• 동적 바인딩: 가상 함수는 실행 시간에 호출할 메서드를 결정하는 동적 바인딩을 지원합니다. 이는 프로그램의 실행 중에 객체의 실제 타입에 따라 적절한 메서드가 호출되도록 합니다.

2. 가상 함수의 사용법

가상 함수를 사용하기 위해서는 부모 클래스에서 virtual 키워드를 사용하여 메서드를 선언하고, 자식 클래스에서 해당 메서드를 재정의하면 됩니다.

2.1 기본 구조

class Parent {
public:
    virtual void speak() { // 가상 메서드
        cout << "Animal speaks" << endl;
    }
};

class Child : public Parent {
public:
    void speak() override { // 메서드 재정의
        cout << "Child speaks" << endl;
    }
};

• virtual: 부모 클래스의 메서드에 virtual 키워드를 사용하여 가상 메서드로 선언합니다. 이는 메서드 재정의를 가능하게 합니다.
• override: 자식 클래스에서 메서드를 재정의할 때 override 키워드를 사용하여 명시적으로 재정의하고 있음을 나타냅니다. 이는 코드의 가독성을 높이고, 실수로 잘못된 메서드를 정의하는 것을 방지합니다.

3. 예제: 가상 함수 구현

다음은 동물 클래스를 정의하고, 이를 상속받은 개와 고양이 클래스에서 가상 함수를 사용하는 예제입니다.

#include <iostream>
using namespace std;

// 부모 클래스
class Animal {
public:
    virtual void speak() { // 가상 메서드
        cout << "Animal speaks" << endl;
    }
};

// 자식 클래스: Dog
class Dog : public Animal {
public:
    void speak() override { // 메서드 재정의
        cout << "Dog barks" << endl;
    }
};

// 자식 클래스: Cat
class Cat : public Animal {
public:
    void speak() override { // 메서드 재정의
        cout << "Cat meows" << endl;
    }
};

int main() {
    Animal* animal1 = new Dog(); // 부모 클래스 포인터로 자식 클래스 객체 생성
    Animal* animal2 = new Cat(); // 부모 클래스 포인터로 자식 클래스 객체 생성

    animal1->speak(); // Dog의 speak() 호출
    animal2->speak(); // Cat의 speak() 호출

    delete animal1; // 메모리 해제
    delete animal2; // 메모리 해제

    return 0;
}

3.1 코드 설명

• Animal 클래스: 기본 클래스이며, speak() 메서드를 가상 메서드로 정의합니다. 이 메서드는 모든 동물이 공통적으로 가지는 행동을 나타냅니다.
• Dog 클래스: Animal 클래스를 상속받아 speak() 메서드를 재정의합니다. 이 메서드는 개가 짖는 행동을 나타냅니다.
• Cat 클래스: Animal 클래스를 상속받아 speak() 메서드를 재정의합니다. 이 메서드는 고양이가 울 때의 행동을 나타냅니다.
• main() 함수: Animal 클래스의 포인터를 사용하여 Dog와 Cat 객체를 생성합니다. 이때, 부모 클래스의 포인터를 통해 자식 클래스의 메서드를 호출할 수 있습니다. 이는 다형성을 활용한 예로, animal1->speak()는 Dog 클래스의 speak() 메서드를 호출하고, animal2->speak()는 Cat 클래스의 speak() 메서드를 호출합니다.

4. 주의사항

4.1 가상 소멸자

부모 클래스의 메서드가 가상 메서드인 경우, 부모 클래스의 소멸자도 가상 소멸자로 선언하는 것이 좋습니다. 이는 자식 클래스의 객체가 부모 클래스의 포인터로 삭제될 때, 자식 클래스의 소멸자가 호출되도록 보장합니다. 그렇지 않으면, 자식 클래스의 자원 해제가 제대로 이루어지지 않을 수 있습니다.

class Parent {
public:
    virtual ~Parent() { // 가상 소멸자
        // 자원 해제 코드
    }
};

4.2 메서드 시그니처 일치

가상 함수를 재정의할 때는 부모 클래스의 메서드와 동일한 시그니처(이름, 매개변수 목록, 반환 타입)를 가져야 합니다. 만약 시그니처가 다르면, 이는 새로운 메서드로 간주되며 재정의가 아닌 오버로딩이 됩니다. 이로 인해 의도한 대로 동작하지 않을 수 있습니다.

4.3 const 멤버 함수

부모 클래스의 가상 메서드가 const로 선언된 경우, 자식 클래스에서 재정의할 때도 const로 선언해야 합니다. 이는 메서드의 일관성을 유지하는 데 중요합니다.

class Parent {
public:
    virtual void show() const { // const 멤버 함수
        cout << "Parent class" << endl;
    }
};

class Child : public Parent {
public:
    void show() const override { // const로 재정의
        cout << "Child class" << endl;
    }
};

5. 결론

C++의 가상 함수는 객체 지향 프로그래밍에서 다형성을 구현하는 중요한 기능입니다. 이를 통해 자식 클래스는 부모 클래스의 메서드를 자신의 필요에 맞게 수정할 수 있으며, 코드의 유연성을 높이고, 다양한 객체를 동일한 방식으로 처리할 수 있게 해줍니다. 가상 함수를 사용할 때는 가상 소멸자, 메서드 시그니처 일치, const 멤버 함수에 주의하여 올바르게 구현하는 것이 중요합니다. 다음 포스팅에서는 "순수 가상 클래스"에 대해 다룰 예정입니다.