JAVA - 다형성1
1. 다형성 시작
객체지향 프로그래밍의 대표적인 특징으로는 캡슐화, 상속, 다형성이 있다. 그중에서 다형성은 객체지향 프로그래밍의 꽃이라 불린다.
앞서 학습한 캡슐화나 상속은 직관적으로 이해하기 쉽다. 반면에 다형성은 제대로 이해하기도 어렵고, 잘 활용하기는 더 어렵다. 하지만 좋은 개발자가 되기 위해서는 다형성에 대한 이해가 필수다.
다형성(Polymorphism)은 이름 그대로 "다양한 형태", "여러 형태"를 뜻한다.
프로그래밍에서 다형성은 한 객체가 여러 타입이 취급될 수 있는 능력을 뜻한다. 보통 하나의 객체는 하나의 타입으로 고정되어 있다. 그런데 다형성을 사용하면 하나의 객체가 다른 타입으로 사용될 수 있다는 뜻이다. 지금은 이 내용을 이해하기보다는 참고만 하자.
다형성을 이해하기 위해서는 크게 2가지 핵심 이론을 알아야 한다.
- 다형적 참조
- 메서드 오버라이딩
다형적 참조
다형적 참조를 이해하기 위해 다음과 같은 간단한 상속 관계를 코드로 만들어보자.
public class Parent {
public void parentMethod() {
System.out.println("Parent.parentMethod");
}
}public class Child extends Parent{
public void childMethod() {
System.out.println("child.childMethod");
}
}/**
* 다형적 참조 : 부모는 자식을 품을 수 있다.
*/
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();
//자식 변수가 자식 인스턴스 참조
System.out.println("Child -> Child");
Child child = new Child();
child.parentMethod();
child.childMethod();
//부모 변수가 자식 인스턴스를 참조(다형적 참조)
System.out.println("Parent -> Child");
Parent poly = new Child();
poly.parentMethod();
//자식의 기능은 호출할 수 없다. 컴파일 오류 발생
// Child child1 = new Parent(); // 자식은 부모를 담을 수 없다.
// poly.childMethod(); // Parent 타입이므로 Child 타입 호출 불가
}
}부모 타입의 변수가 부모 인스턴스 참조
Parent -> Parent : parent.parentMethod()
- 부모 타입의 변수가 부모 인스턴스를 참조한다.
- Parent parent = new Parent()
- Parent 인스턴스를 만들었다. 이 경우 부모 타입인 Parent를 생성했기 때문에 메모리 상에 Parent만 생성된다.(자식은 생성되지 않는다.)
- 생성된 참조값을 Parent 타입의 변수인 parent에 담아둔다.
- parent.parentMethod()를 호출하면 인스턴스의 Parent 클래스에 있는 parentMethod()가 호출된다.
자식 타입의 변수가 자식 인스턴스 참조
Child -> Child : child.childMethod()
- 자식 타입의 변수가 자식 인스턴스를 참조한다.
- Child child = new Child()
- Child 인스턴스를 만들었다. 이 경우 자식 타입인 Child를 생성했기 때문에 메모리 상에 Child와 Parent가 모두 생성된다.
- 생성된 참조값을 Child 타입인 변수인 child에 담아둔다.
- child.childMethod()를 호출하면 인스턴스의 Child 클래스에 있는 childMethod()가 호출된다.
위에 내용은 지금까지 배운 내용이고 이제 배우는 부분이 난이도가 좀 올라가고 정말 중요한 내용들이다.
다형적 참조 : 부모 타입의 변수가 자식 인스턴스 참조
Parent -> Child : poly.childMethod()
- 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 Child 타입이다. 자바에서 부모 타입은 자식 타입을 담을 수 있다.
- Parent poly = new Child() : 성공
- 반대로 자식 타입은 부모 타입을 담을 수 없다
- Child child = new Parent() : 컴파일 오류 발생
다형성 참조
지금까지 학습한 내용을 떠올려보면 항상 같은 타입에 참조를 대입했다. 그래서 보통 한 가지 형태만 참조할 수 있다.
그런데 Parent 타입의 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 하위에 손자가 있다면 가능
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
앞의 그림을 참고하자. poly.parentMethod()를 호출하면 먼저 참조값을 사용해서 인스턴스를 찾는다. 그리고 다음으로 인스턴스 안에서 실행할 타입도 찾아야 한다. poly는 Parent 타입이다. 따라서 Parent 클래스부터 시작해서 필요한 기능을 찾는다. 인스턴스의 Parent 클래스에 parentMethod()가 있다. 따라서 해당 메서드가 호출된다.
다형성 참조의 한계
Parent -> Child : poly.childMethod()
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 인스터스를 찾는다. 그리고 다음으로 인스턴스 안에서 실행할 타입을 찾아야 한다. 호출자인 poly는 Parent 타입이다. 따라서 Parent 클래스부터 시작해서 필요한 기능을 찾는다. 그런데 상속 관계는 부모 방향으로는 찾아 올라갈 수는 있지만 자식 방향으로 찾아 내려갈 수는 없다. Parent는 부모 타입이고 상위에는 부모가 없다. 따라서 childMethod()를 찾을 수 없으며로 컴파일 오류가 발생한다.
이런 경우 childMethod()를 호출하고 싶으면 어떻게 해야할까?? 바로 캐스팅이 필요하다.
2. 다형성과 캐스팅
Parent poly = new Child()와 같이 부모 타입의 변수를 사용하게 되면 poly.childMethod()와 같이 자식 타입에 있는 기능은 호출할 수 없다.
public class CastingMain1 {
public static void main(String[] args) {
//부모 변수가 자식 인스턴스 참조(다형적 참조)
Parent poly = new Child();
//단 자식의 기능을 호출할 수 없다. 컴파일 오류 발생
// poly.childMethod();
//다운캐스팅(부모 타입 -> 자식 타입)
Child child = (Child) poly;
child.childMethod();
}
}
- poly.childMethod()를 호출하면 먼저 참조값을 사용해서 인스턴스를 찾는다.
- 인스턴스 안에서 사용할 타입을 찾아야 한다. poly는 Parent 타입이다.
- Parent는 최상위 부모이다. 상속 관계는 부모로만 찾아서 올라갈 수 있다. childMethod()는 자식 타입에 있으므로 호출할 수가 없다. 따라서 컴파일 오류가 발생한다.
호출하는 타입을 자식인 Child 타입으로 변경하면 인스턴스의 Child에 있는 childMethod()를 호출할 수 있다. 하지만 다음과 같은 문제에 봉착한다.
부모는 자식을 담을 수 있지만, 자식은 부모를 담을 수 없다.
- Parent parent = new Child() : 부모는 자식을 담을 수 있다.
- Parent parent = child // Child child 변수 : 부모는 자식을 담을 수 있다.
반면에 다음과 같이 자식은 부모를 담을 수 없다.
Child child = poly; // Parent poly 변수부모 타입을 사용하는 변수는 자식 타입에 대입하려고 하면 컴파일 오류가 발생한다. 자식은 부모를 담을 수 없다. 이때 다운 캐스팅이라는 기능을 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 것을 캐스팅이라 한다.
오른쪽에 있는 (Child) poly 코드를 먼저 보다. poly는 Parent 타입이다. 이 타입을 (Child)를 사용해서 일시적으로 자식 타입인 Child타입으로 변경한다. 그리고 나서 왼쪽에 있는 Child child에 대입한다.
실행 순서
// 다운캐스팅을 통해 부모타입을 자식타입으로 변환한 다음에 대입 시도
Child child = (Child) poly;
// 참조값을 읽음 다음 자식 타입으로 지정
Child child = (Child) x001;
// 최종 결과
Child child = x001;참고로 캐스팅을 한다고 해서 Parent poly의 타입이 변하는 것은 아니다. 해당 참조값을 꺼내고 꺼낸 참조값이 Child 타입이 되는 것이다. 따라서 poly의 타입은 Parent로 기존과 같이 유지된다.
캐스팅
- 업캐스팅 : 부모 타입으로 변경
- 다운캐스팅 : 자식 타입으로 변경
3. 캐스팅의 종류
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 다운캐스팅을 해서 인스턴스에 있는 하위 클래스의 기능을 바로 호출할 수 있다.
일시적 다운캐스팅
public class CastingMain2 {
public static void main(String[] args) {
//부모 변수가 자식 인스턴스 참조(다형적 참조)
Parent poly = new Child();
//단 자식의 기능을 호출할 수 없다. 컴파일 오류 발생
// poly.childMethod();
//다운캐스팅(부모 타입 -> 자식 타입)
Child child = (Child) poly;
child.childMethod();
//일시적 다운 캐스팅 - 해당 메서드를 호출하는 순간만 다운 캐스팅
((Child) poly).childMethod();
}
}업캐스팅
다운캐스팅과 반대로 현재 타입을 부모 타입으로 변경하는 것을 업캐스팅이라 한다.
//upcasting vs downcasting
public class CastingMain3 {
public static void main(String[] args) {
Child child = new Child();
Parent parent1 = (Parent) child; // 업 캐스팅은 생략 가능, 생략 권장
Parent parent2 = child; //업캐스팅 생략
parent1.parentMethod();
parent2.parentMethod();
}
}업캐스팅은 생략할 수 있다. 다운캐스팅을 생략할 수 없다. 참고로 업캐스팅은 매우 자주 사용하기 때문에 생략을 권장한다.
업캐스팅은 생략해도 되고, 다운캐스팅은 왜 개발자가 직접 명시적으로 캐스팅을 해야할까?
4. 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(); // 문제 없음
Parent parent2 = new Parent();
Child child2 = (Child) parent2; //런타임 오류 - ClassCastException
child2.childMethod();//실행 불가
}
}
실행결과
child.childMethod
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, 그전에 오류가 발생했다.
다운캐스팅이 가능한 경우
다운캐스팅이 불가능한 경우
먼저 new Parent()로 부모 타입으로 객체를 생성한다. 따라서 메모리 상에 자식 타입은 전혀 존재하지 않는다. 생성 결과를 parent2에 담아둔다. 이 경우 같은 타입으로 여기서는 문제가 발생하지 않는다.
다음으로 parent2를 Child 타입으로 다운캐스팅을 한다. 그런데 parent2는 Parent로 생성되어 있다. 따라서 메모리 상에 Child 자체가 존재하지 않는다. Child 자체를 사용할 수 없는 것이다.
그림으로 설명 - 업캐스팅
그림으로 설명 - 다운캐스팅
5. instanceof
다형성에서 참조형 변수는 이름 그대로 다양한 자식을 대상으로 참조할 수 있다. 그런데 참조하는 대상이 다양하기 때문에 어떤 인스턴스를 참조하고 있는지 확인하려면 어떻게 해야 할까??
Parent parent1 = new Parent();
Parent parent2 = new Child();여기서 Parent는 자신과 같은 Parent의 인스턴스도 참조할 수 있고, 자식 타입인 Child의 인스턴스도 참조할 수 있다. 이때 parent1, parent2 변수가 참조하는 인스턴스의 타입을 확인하고 싶다면 instanceof 키워드를 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);
}
private static void call(Parent parent) {
parent.parentMethod();
if (parent instanceof Child) {
System.out.println("Child 인스턴스 맞음");
Child child = (Child) parent;
child.childMethod();
} else {
System.out.println("Child 인스턴스 아님");
}
}
}갑자기 intanceof의 왼쪽에는 어떤 게 들어가야 하는지, 오른쪽에는 어떤게 들어가야 하는지 헷갈릴 텐데 아래와 같이 정리해 보자.
new Parent() instanceof Parent
Parent p = new Parent() // 같은 타입 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() // 같은 타입 true쉽게 이야기해서 오른쪽에 있는 타입에 왼쪽에 있는 인스턴스의 타입이 들어갈 수 있는지 대입해 보고 가능하면 true, 불가능하면 false가 된다.
자바 16 - Pattern Matching for instanceof
자바 16부터는 instanceof를 사용하면서 동시에 변수를 선언할 수 있다.
public class CastingMain6 {
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);
}
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();
}
}
}6. 다형성과 메서드 오버라이딩
다형성을 이루는 또 하나의 중요한 핵심 이론이 바로 메서드 오버라이딩이다.
메서드 오버라이딩에서 꼭! 기억해야 할 점은 오버라이딩 된 메서드가 항상 우선권을 가진다는 점이다.
앞서 메서드 오버라이딩을 학습했지만 지금까지 학습한 메서드 오버라이딩은 반쪽짜리다. 메서드 오버라이딩의 진짜 힘은 다형성과 함께 사용할 때 나타난다. 다음 코드를 통해 다형성과 메서드 오버라이딩을 알아보자.
- Parent, Child 모두 value라는 같은 멤버 변수를 가지고 있다.
- 멤버 변수는 오버라이딩 되지 않는다.
- Parent, Child 모두 method()라는 같은 메서드를 가지고 있다. Child에서 메서드를 오버라이딩 했다.
- 메서드는 오버라이딩이 된다.
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) {
// 1. 자식 변수가 자식 인스턴스 참조
Child child = new Child();
System.out.println("Child -> Child");
System.out.println("child.value = " + child.value);
child.method();
// 2. 부모 변수가 부모 인스턴스 참조
Parent parent = new Parent();
System.out.println("Parent -> Parent");
System.out.println("parent.value = " + parent.value);
parent.method();
// 3. 부모 변수가 자식 인스턴스를 참조(다형적 참조)
Parent poly = new Child();
System.out.println("Parent -> Child");
System.out.println("poly.value = " + poly.value); // 변수는 오버라이딩x
poly.method(); // 메서드는 오버라이딩o
}
}여기서 1,2번은 앞에서 배운 개념이라 이해가 바로 되는데 3번이 생각한 것과 다르게 되었다.
- 이 부분이 중요하다.
- poly 변수는 Parent 타입이다. 따라서 poly.value, poly.method()를 호출하면 인스턴스의 Parent 타입에서 기능을 찾아서 실행한다.
- poly.value = Parent 타입에 있는 value 값을 읽는다.
- poly.method() : Parent 타입에 있는 method()를 실행하려고 한다. 그런데 하위 타입인 Child.method()가 오버라이딩이 되어 있다. 오버라이딩 된 메서드는 항상 우선권을 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 하고 손자에서도 같은 메서드를 오버라이딩을 하면 손자의 오버라이딩 메서드가 우선권을 가진다. 더 하위 자식의 오버라이딩 된 메서드가 우선권을 가지는 것이다.
지금까지 다형성을 이루는 핵심 이론인 다형적 참조와 메서드 오버라이딩에 대해 학습했다.
- 다형적 참조 : 하나의 변수 타입으로 다양한 자식 인스턴스를 참조할 수 있는 기능
- 메서드 오버라이딩 : 기존 기능을 하위 타입으로 새로운 기능으로 재정의
이 둘을 이해하고 나면 진정한 다형성의 위력을 맛볼 수 있다.
다음 블로깅에선 지금까지 학습한 이론들이 다형성에 어떻게 활용되는지 다형성의 힘을 예제를 통해 알아보는 걸로 하자.