JAVA - 상속

1. 상속 - 시작

상속 관계가 왜 필요한지 이해하기 위해 다음 예제 코드를 만들어서 실행해 보자.

public class ElectricCar {
    public void move() {
        System.out.println("차를 이동합니다.");
    }

    public void charge() {
        System.out.println("충전합니다.");
    }
}

public class GasCar {
    public void move() {
        System.out.println("차를 이동합니다");
    }

    public void fillUp() {
        System.out.println("기름을 주유합니다.");
    }
}

public class CarMain {
    public static void main(String[] args) {
        ElectricCar electricCar = new ElectricCar();
        electricCar.move();
        electricCar.charge();

        GasCar gasCar = new GasCar();
        gasCar.move();
        gasCar.fillUp();
    }
}

 

위는 전기차와 가솔린차를 만들고 나서 보니 move() 메서드가 중복된다. 어차피 전기차, 가솔린차 둘 다 주유하는 방식이 다를 뿐, 이동하는 것은 똑같다. 이런 경우 상속 관계를 사용한 것이 효과적이다.

2. 상속 관계

상속은 객체 지향 프로그래밍 핵심 요소 중 하나로, 기존 클래스의 필드와 메서드를 새로운 클래스에 재사용하게 해 준다. 이름 그대로 기존 클래스의 속성과 기능을 그대로 물려받는 것이다. 상속을 사용하려면 extends 키워드를 사용하면 된다. 그리고 extends 대상은 하나만 선택할 수 있다.

용어 정리

• 부모 클래스(슈퍼 클래스) : 상속을 통해 자신의 필드와 메서드를 다른 클래스에 제공하는 클래스
• 자식 클래스(서브 클래스) : 부모 클래스로부터 필드와 메서드를 상속받는 클래스

상속 관계를 사용하도록 코드를 작성해 보자.

public class Car {
    public void move() {
        System.out.println("차를 이동합니다.");
    }
}

public class ElectricCar extends Car {
    public void charge() {
        System.out.println("충전합니다.");
    }
}

public class GasCar extends Car {
    public void fillUp() {
        System.out.println("기름을 주유합니다. ");
    }
}

public class CarMain {
    public static void main(String[] args) {
        ElectricCar electricCar = new ElectricCar();
        electricCar.move();
        electricCar.charge();

        GasCar gasCar = new GasCar();
        gasCar.move();
        gasCar.fillUp();
    }
}

Car 클래스는 부모 클래스가 된다. 여기에는 자동차의 공통 기능인 move()가 포함되어 있다.

전기차와 가솔린차 모두 extends Car를 사용해서 부모 클래스인 Car를 상속받는다. 둘 다 move()를 사용할 수 있다.

상속 구조도

참고로 당연한 이야기이지만 상속은 부모의 기능을 자식이 물려받는 것이다. 따라서 자식이 부모의 기능을 물려받아서 사용할 수 있다. 반대로 부모 클래스는 자식 클래스에 접근할 수 없다. 자식 클래스는 부모 클래스의 기능을 물려받기 때문에 접근할 수 있지만, 그 반대는 아니다. 자식에 대한 정보가 하나도 없다.

단일 상속

자바는 다중 상속을 지원하지 않는다. 그래서 extends 대상은 하나만 선택할 수 있다. 부모를 하나만 선택할 수 있다는 뜻이다. 물론 부모가 다른 부모를 하나 가지는 것은 괜찮다.

다중 상속 그림

만약 비행기와 자동차를 상속받아서 하늘을 나는 자동차를 만든다고 가정해 보자. 만약 그림과 같이 다중 상속을 사용하게 되면 AirplaneCar 입장에서 move()를 호출할 때 어떤 부모의 move()를 사용해야 할지 애매한 문제가 발생한다. 이것을 다이아몬드 문제라 한다. 그리고 다중 상속을 사용하면 클래스 계층 구조가 매우 복잡해질 수 있다. 이런 문제점 때문에 자바는 클래스의 다중 상속을 허용하지 않는다. 대신에 이후에 설명할 인터페이스의 다중 구현을 허용해서 이러한 문제를 피한다.

3. 상속과 메모리 구조

이 부분을 제대로 이해하는 것이 앞으로 정말 중요하다!!

상속 관계를 객체로 생성할 때 메모리 구조를 확인해 보자.

ElectricCar electricCar = new ElectricCar();

new ElectricCar()를 호출하면 ElectricCar 뿐만 아니라 상속 관계에 있는 Car까지 함께 포함해서 인스턴스를 생성한다. 참조값은 x001로 하자이지만, 실제로 그 안에서는 Car, ElectricCar라는 두 가지 클래스 정보가 공존하는 것이다.

상속이라고 해서 단순하게 부모의 필드와 메서드만 물려받는 게 아니다. 상속 관계를 사용하면 부모 클래스도 함께 포함해서 생성된다. 외부에서 볼 때는 하나의 인스턴스를 생성하는 것 같지만 내부에서는 부모와 자식이 모두 생성되고 공간도 구분된다.

1. 본인 타입에서 찾기(electricCar.charge())

electricCar.charge()를 호출하면 참조값을 확인해서 x001.charge를 호출한다. 근데 상속 관계의 경우네는 내부에 부모와 자식이 모두 존재한다. 이때 부모인 Car를 통해서 charge()를 찾을지 아니면 electricCar를 통해서 charge()를 찾을지 선택해야 한다.

 이때는 호출하는 변수의 타입(클래스)을 기준으로 선택한다. electricCar 변수의 타입이 electricCar 이므로 인스턴스 내부에 같은 타입인 ElectricCar를 통해서 charge()를 호출한다.

2. 본인 타입에 없으면 부모 타입에서 찾기.(electricCar.move())

1번 설명과 같이 호출하는 변수의 타입을 기준으로 먼저 찾으러 갔다가, 자식 타입에 해당하는 기능이 없으면 부모 타입으로 올라가서 찾는다. 이 경우 ElectricCar의 부모인 Car로 올라가서 move()를 찾는다. 부모인 Car에 move()가 있으므로 부모에 있는 move() 메서드를 호출한다.

 

만약 부모에서도 해당 기능을 찾지 못하면 더 상위 부모에서 필요한 기능을 찾아본다. 부모에 부모로 계속 올라가면서 필드나 메서드를 찾는 것이다. 물론 계속 찾아도 없으면 컴파일 오류가 발생한다.

지금까지 설명한 상속과 메모리 구조는 반드시 이해해야 한다!

• 상속 관계에 객체를 생성하면 그 내분에는 부모와 자식이 모두 생성된다.
• 상속 관계의 객체를 호출할 때, 대상 타입을 정해야 한다. 이때 호출자의 타입을 통해 대상 타입을 찾는다.
• 현재 타입에서 기능을 찾지 못하면 상위 부모 타입으로 기능을 찾아서 실행한다. 기능을 찾기 못하면 컴파일 오류가 발생한다.

4. 상속과 기능 추가

이번에는 상속 관계의 장점을 알아보기 위해, 상속 관계에 다음 기능을 추가해 보자.

• 모든 차량에 문 열기(openDoor()) 기능을 추가해야 한다.
• 새로운 수소차(HydrogenCar)를 추가해야 한다.
  • 수소차는 fillHydrogen() 기능을 통해 수소를 충전할 수 있다.

public class Car {
    public void move() {
        System.out.println("차를 이동합니다.");
    }

    //추가
    public void openDoor() {
        System.out.println("문을 엽니다.");
    }
}

public class ElectricCar extends Car {
    public void charge() {
        System.out.println("충전합니다.");
    }
}

public class GasCar extends Car {
    public void fillUp() {
        System.out.println("기름을 주유합니다. ");
    }
}

public class HydrogenCar extends Car {
    public void fillHydrogen() {
        System.out.println("수소를 충전합니다.");
    }
}

 

public class CarMain {
    public static void main(String[] args) {
        ElectricCar electricCar = new ElectricCar();
        electricCar.move();
        electricCar.charge();

        GasCar gasCar = new GasCar();
        gasCar.move();
        gasCar.fillUp();
        gasCar.openDoor();

        HydrogenCar hydrogenCar = new HydrogenCar();
        hydrogenCar.move();
        hydrogenCar.fillHydrogen();
        hydrogenCar.openDoor();
    }
}

수소차를 추가했다. Car를 상속받은 덕분에 move(), openDoor()와 같은 기능을 바로 사용할 수 있다. 수소차는 전용 기능인 수소 충전(fillHydrogen())기능을 제공한다.

상속 관계 덕분에 중복은 줄어들고, 새로운 수소차를 편리하게 확장(extend) 한 것을 알 수 있다.

5. 상속과 메서드 오버라이딩

부모 타입의 기능을 자식에서는 다르게 재정의 하고 싶을 수 있다.

예를 들어 자동차의 경우 Car.move()라는 기능이 있다. 이 기능을 사용하면 단순히 "차를 이동합니다."라고 출력한다. 전기차의 경우 보통 더 빠르기 때문에 전기차가 move()를 호출한 경우에는 "전기차가 빠르게 이동합니다."라고 출력을 변경하고 싶다.

 

이렇게 부모에게서 상속받은 기능을 자식이 재정의 하는 것을 메서드 오버라이딩(Overriding)이라 한다.

기존 코드를 유지하기 위해 overriding 패키지를 새로 만들어보자.

public class Car {
    public void move() {
        System.out.println("차를 이동합니다.");
    }

    //추가
    public void openDoor() {
        System.out.println("문을 엽니다.");
    }
}

public class ElectricCar extends Car {
    @Override // 없어도 가능. 가독성 높이기 위해, 메서드 오버라이딩이 잘 되었는지 확인하기 위해서
    public void move() {
        System.out.println("전기차를 빠르게 이동합니다.");
    }
    public void charge() {
        System.out.println("충전합니다.");
    }
}

public class CarMain {
    public static void main(String[] args) {
        ElectricCar electricCar = new ElectricCar();
        electricCar.move();
    }
}

ElectricCar는 부모인 Car의 move()를 그대로 쓰고 싶지 않다. 메서드 이름은 같지만 새로운 기능을 사용하고 싶다. 그래서 ElectricCar의 move() 메서드를 새로 만들었다.

이렇게 부모의 기능을 자식이 새로 재정의하는 것을 메서드 오버라이딩이라 한다.

이제 ElectricCar의 move()를 호출하면 Car의 move()가 아니라 ElectricCar의 move()가 호출된다.

 

@Override

@이 붙은 부분은 애노테이션이라 한다. 애노테이션은 주석과 비슷한데, 프로그램이 읽을 수 있는 특별한 주석이라 생각하면 된다. 애노테이션에 대한 자세한 내용은 따로 설명한다.

 

이 어노테이션은 상위 클래스의 메서드를 오버라이드하는 것임을 나타낸다. 이름 그대로 오버라이딩한 메서드 위에 이 애노테이션을 붙여야 한다. 컴파일러는 이 애노테이션을 보고 메서드가 정확히 오버라이드 되었는지 확인한다. 오버라이딩 조건을 만족시키지 않으면 컴파일 에러를 발생시킨다. 따라서 실수로 오버라이딩을 못하는 경우를 방지해 준다.. 예를 들어서 이 경우에 만약 부 모에 'move()' 메서드가 없다면 컴파일 오류가 발생한다. 참고로 이 기능은 필수는 아니지만 코드의 명확성을 위해 붙여주는 것이 좋다.

오버라이딩과 클래스

Car의 move() 메서드를 ElectricCar에서 오버라이딩 했다.

오버라이딩과 메모리 구조

• electricCar.move()를 호출한다.
• 호출한 electricCar의 타입은 ElectricCar이다. 따라서 인스턴스 내부의 ElectricCar 타입에서 시작한다.
• ElectricCar 타입에 move() 메서드가 있다. 해당 메서드를 실행한다. 이때 실행할 메서드를 이미 찾았으므로 부모 타입을 찾지 않는다.

오버로딩(Overloading)과 오버라이딩(Overriding)

• 메서드 오버로딩 : 메서드 이름은 같고 매개변수가 다른 메서드를 여러 개 정의하는 것을 말한다. 오버로딩은 번역하면 과정인데 , 과하게 물건을 담았다는 뜻이다. 따라서 같은 이름의 메서드를 여러개 정의했다고 이해하면 된다.
• 메서드 오버라이딩 : 메서드 오버라이딩은 하위 클래스에서 상위 클래스의 메서드를 재정의하는 과정을 의미한다. 따라서 상속 관계에서 사용한다. 부모의 기능을 자식이 다시 정의하는 것이다. 오버라이딩을 단순히 해석하면 무언가를 넘어서 타는 것을 말한다. 자식의 새로운 기능이 부모의 기존 기능을 넘어 타서 기존 기능을 새로운 기능으로 덮어버린다고 이해하면 된다. 오버라이딩을 우리말로 번역하면 무언가를 다시 정의한다고 해서 재정의라 한다. 상속 관계에서는 기존 기능을 다시 정의한다고 이해하면 된다. 실무에서는 메서드 오버라이딩, 메서드 재정의 둘 다 사용한다.

메서드 오버라이딩 조건

메서드 오버라이딩은 다음과 같이 까다로운 조건을 가지고 있다. 다음 내용은 아직 학습하지 않는 내용들도 있으니, 모두 이해하려고 하지 말고, 참고만 하자. 지금은 단순히 부모 메서드와 같은 메서드를 오버라이딩 할 수 있다 정도로 이해하면 충분하다.

• 메서드 이름 : 메서드 이름이 같아야 한다.
• 메서드 매개변수 : 매개변수 타입, 순서, 개수가 같아야 한다
• 반환 타입 : 반환 타입이 같아야 한다. 단 반환 타입이 하위 클래스 타입일 수 있다.
• 접근 제어자 : 오버라이딩 메서드의 접근 제어자는 상위 클래스의 메서드보다 더 제한적이어서는 안 된다. 예를 들어 상위 클래스의 메서드가 protected로 선언되어 있으면 하위 클래스에서 default, private면 안된다.
• 예외 : 오버라이딩 메서드는 상위 클래스의 메서드보다 더 많은 체크 예외를 throws로 선언할 수 있다. 하지만 더 적거나 같은 수의 예외, 또는 하위 타입의 예외는 선언할 수 있다. 예외를 학습해야 이해할 수 있다. 예외는 뒤에서 다룬다.
• static, final, private : 키워드가 붙은 메서드는 오버라이딩 될 수 없다.
  • static : 클래스 레벨에서 작동하므로 인스턴스 레벨에서 사용하는 오버라이딩이 의미가 없다. 쉽게 이야기해서 그냥 클래스 이름을 통해 필요한 곳에 직접 접근하면 된다.
  • final : final 메서드는 재정이의 금지한다.
  • private : private 메서드는 해당 클래스에서만 접근 가능하기 때문에 하위 클래스에서 보이지 않는다.
• 생성자 오버라이딩 : 생성자는 오버라이딩 할 수 없다.
•  

6. 상속과 접근 제어

상속 관계와 접근 제어가에 대해 알아보자. 참고로 접근 제어를 자세히 설명하기 위해서 부모와 자식의 패키지를 따로 분리하였다.

• + : public
• # : protected
• ~ : default
• - : private

public class Parent {
    public int publicValue;
    protected int protectedValue;
    int defaultValue;
    private int privateValue;

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

    protected void protectedMethod() {
        System.out.println("Parent.protectedMethod");
    }

    void defaultMethod() {
        System.out.println("Parent.defualtMethod");
    }

    private void privateMethod() {
        System.out.println("Parent.privateMethod");
    }

    public void printParent() {
        System.out.println("==Parent 메서드 안==");
        System.out.println("publicValue = " + publicValue);
        System.out.println("protectedValue = " + protectedValue);
        System.out.println("defaultValue = " + defaultValue);
        System.out.println("privateValue = " + privateValue);

        //부모 메서드 안에서 모두 접근 가능
        defaultMethod();
        privateMethod();
    }
}

package extends1.access.child;

import extends1.access.parent.Parent;

public class Child extends Parent {
    public void call() {
        publicValue = 1;
        protectedValue = 1; // 상속 관계 or 같은 패키지
//        defaultValue; // 다른 패키지 접근 불가, 컴파일 오류
//        privateValue; // 접근 불가, 컴파일 오류
        publicMethod();
        protectedMethod(); // 상속관계 or 같은 패키지
//        defaultMethod(); // 접근 불가, 컴파일 오류
//        privateMehotd(); // 접근 불가, 컴파일 오류

        printParent();

    }
}

package extends1.access;

import extends1.access.child.Child;

public class ExtendsAccessMain {
    public static void main(String[] args) {
        Child child = new Child();
        child.call();
    }
}

부모 클래스인 Parent에는 public, protected, default, private과 같은 접근 제어자가 필드와 메서드에 모두 존재한다.

자식 클래스인 Child에서 부모 클래스인 Parent에 얼마나 접근할 수 있는지 위 코드로 확인해 보자.

접근 제어와 메모리 구조

본인 타입에 없으면 부모 타입에서 기능을 찾는데, 이때 접근 제어자가 영향을 준다. 왜냐하면 객체 내부에서는 자식과 부모가 구분되어 있기 때문이다. 결국 자식 타입의 기능을 호출할 때, 부모 입장에서 보면 외부에서 호출한 것과 같다.

7. super - 부모 참조

부모와 자식의 필드명이 같거나 메서드가 오버라이딩 되어 있으면, 자식에서 부모의 필드나 메서드를 호출할 수 없다. 이때 super라는 키워드를 사용하면 부모를 참조할 수 있다. super는 이름 그대로 부모 클래스에 대한 참조를 나타낸다.

다음 코드를 보자. 부모의 필드명과 자식의 필드면이 둘 다 value로 똑같다. 메서드도 hello()로 자식에게 오버라이딩 되어 있다. 이때 자식 클래스에서 부모 클래스의 value와 hello()를 호출하고 싶다면 super 키워드를 사용하면 된다.

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

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

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

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

    public void call() {
        System.out.println("this.value = " + this.value); // this 생략 가능
        System.out.println("super.value = " + super.value);

        this.hello(); // this 생략가능
        super.hello();
    }
}

public class Super1Main {
    public static void main(String[] args) {
        Child child = new Child();
        child.call();
    }
}

call() 메서드를 보자.

• this는 자기 자신의 참조를 뜻한다. this를 생략할 수도 있다.
• super는 부모 클래스에 대한 참조를 뜻한다.
• 필드 이름과 메서드 이름이 같지만 super를 사용해서 부모 클래스에 있는 기능을 사용할 수 있다.

8. super - 생성자

상속 관계의 인스턴스를 생성하면 결국 메모리 내부에는 자식과 부모 클래스가 각각 다 만들어진다. Child를 만들면 부모인 Parent까지 함께 만들어지는 것이다. 따라서 각각의 생성자도 모두 호출되어야 한다.

 

상속 관계를 사용하면 자식 클래스의 생성자에서 부모 클래스의 생성자를 반드시 호출해야 한다.(규칙)

상속 관계에서 부모의 생성자를 호출할 때는 super(...)를 사용하면 된다.

 

예제를 통해 상속 관계에서 생정자를 어떻게 사용하는지 알아보자.

public class ClassA {
    public ClassA() {
        System.out.println("ClassA 생성자");
    }
}

ClassA는 최상위 부모 클래스이다.

public class ClassB extends ClassA {
    public ClassB(int a) {
//        super(); // 기본 생성자 생략 가능
        this(a, 0);
        System.out.println("ClassB 생성자 a = " + a);
    }

    public ClassB(int a, int b) {
        super(); // 기본 생성자 생략 가능
        System.out.println("ClassB 생성자 a = " + a + ", b = " + b);
    }
}

• ClassB는 ClassA를 상속받았다. 상속을 받으면 생성자의 첫 줄에 super(...)를 사용해서 부모 클래스의 생성자를 호출해야 한다.
  • 예외로 생성자 첫 줄에 this(...)를 사용할 수는 있다. 하지만 super(...)는 자식 생성자 안에서 언젠가는 반드시 호출되어야 한다.
• 부모 클래스의 생성자가 기본 생성자(파라미터가 없는 생성자)인 경우에는 super(...)를 생략할 수 있다.
  • 상속 관계에서 첫 줄에 super()를 생략하면 자바는 부모의 기본 생성자를 호출하는 super()를 자동으로 만들어준다.
  • 참고로 기본 생성자를 많이 사용하기 때문에 편의상 이런 기능을 제공한다.

 

public class ClassC extends ClassB {
    public ClassC() {
        super(10, 20);
        System.out.println("ClassC 생성자");
    }
}

• ClassC는 ClassB를 상속받았다. ClassB 다음 두 생성자가 있다.
  • ClassB(int a)
  • ClassB(int a, int b)
• 생성자는 하나만 호출할 수 있다. 두 생성자 중 하나만 선택하면 된다.
  • super(10, 20)를 통해서 부모 클래스의 ClassB(int a, int b) 생성자를 선택했다.
• 참고로, ClassC의 부모인 ClassB에는 기본 생성자가 없다. 따라서 부모의 기본 생성자를 호출하는 super()를 사용하거나 생략할 수 없다.

 

public class Super2Main {
    public static void main(String[] args) {
//        ClassC classC = new ClassC();
        ClassB classB = new ClassB(100);
    }
}

실행순서

정리

• 상속 관계에서 생성자 호출은 결과적으로 부모에서 자식 순서로 실행된다. 따라서 부모의 데이터를 먼저 초기화하고 그다음에 자식의 데이터를 초기화한다.
• 상속 관계에서 자식 클래스의 생성자 첫 줄에 반드시 super()를 호출해야 한다. 단 기본 생성자(super())인 경우 생략할 수 있다.

this(...)와 함께 사용

코드의 첫 줄에 this(...)를 사용하더라도 반드시 한 번은 super(...)를 호출해야 한다.