virtual 함수의 내부 작동 방식
정적 바인딩(Static Binding)
C++에서 클레스를 컴파일하면 그 클래스의 모든 함수를 담은 바이너리 객체가 생성된다. 그런데 컴파일러는 virtual 로 선언되지 않은 함수를 호출하는 부분을 컴파일 시간에 결정된 타입의 코드로 교체한다. 이러한 과정을 정적 바인딩(Static Binding) 또는 이른 바인딩(Early Binding) 이라 부른다.
가상 테이블(vtable)
함수를 virtual 로 선언하면 vtable(가상 테이블) 이라는 메모리 영역을 활용하여 가장 적합한 구현 코드를 호출한다.
virtual 함수가 하나 이상 정의된 클래스마다 vtable 이 하나씩 존재하며, 이 클래스로 생성한 객체마다 이 vtable 에 대한 포인터를 가지게 된다. 따라서 객체에 대한 멤버함수를 호출하면 vtable 을 보고 그 시점에서 적합한 버전의 함수를 실행하게 된다.
이러한 과정을 동적 바인딩(Dynamic Binding) 또는 늦은 바인딩(Late Binding) 이라 부른다.
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class Base {
public:
virtual void func1() {}
virtual void func2() {}
void nonVirtualFunc() {}
};
class Derived : public Base
{
public:
virtual void func2() override {}
void nonVirtualFunc() {}
};
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Base myBase;
Derived myDerived;
위와 같은 클레스를 정의한 상태에서의 vtable 의 구조는 아래 그림과 같다.
virtual 키워드가 필요한 이유
몇몇 사함들은 모든 멤버함수를 모두 virtual 로 선언하거나 컴파일러 차원에서 모든 멤버함수를 virtual 로 선언하여 동작해야 한다고 주장한다. 실제로 자바의 경우 모든 메서드를 virtual 메서드 취급하여 동작한다. C++에서는 왜 굳이 따로 virtual 키워드를 만들어서 사용할까?
현 시대의 CPU성능으로 보면 크 차이는 굉장히 미비하지만 분명히 오버헤드 가 발생하기에, 모든 멤버함수를 virtual 로 취급하는 대신 virtual 키워드를 두어서 개발자에게 맡기는 방향으로 진행되었다.
virtual 함수를 호출하려면 가장 적합한 코드를 선택하는 과정에서 포인터를 역참조해야 한다. 예를 들어 virtual 함수를 가진 Point 클래스로 수백만 또는 수십억개의 Point 객체를 만들어서 저장한다면 Point 객체마다 virtual 함수를 호출하여 엄청난 오버헤드 가 발생하게 된다. 또한 객체마다 메모리 오버헤드 도 발생한다. 함수 구현 코드 뿐만 아니라 객체마다 vtable 에 대한 포인터를 가져야 하기 때문에 작게나마 메모리 공간을 더 차지하게 된다.
virtual 소멸자의 필요성
소멸자를 virtual 로 선언하지 않으면 객체가 소멸할 때 메모리가 해제되지 않을 수 있기 때문에 항상 소멸자 만큼은 클래스를 final 로 선언할 때를 제외하고, 항상 virtual로 선언을 해야한다.
예를 들어 파생 클래스의 생성자에서 동적으로 할당된 메모리를 사용하다가 소멸자에서 삭제하도록 작성했을 때, 소멸자가 호출되지 않으면 메모리가 해제되지 않는다. 마찬가지로 std::unique_ptr 처럼 파생 클래스에 자동적으로 삭제되는 멤버가 있을때 그 클래스의 인스턴스가 삭제될 때 소멸자가 호출되지 않으면 이런 멤버가 삭제되지 않고 남아 있게 된다.
다음과 같은 예제를 확인해보면 쉽게 이해할 수 있다.
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class Base {
public:
Base() {}
~Base() {}
};
class Derived : public Base{
public:
Derived() {
mString = new char[30];
cout << "mString allocated" << endl;
}
~Derived() {
delete[] mString;
cout << "mString deallocated" << endl;
}
private:
char* mString;
};
int main() {
// mString이 여기서 할당된다.
Base* ptr = new Derived();
// ~Base는 호출되지만 ~Derived는 호출되지 않는다.
// 소멸자를 virtual로 선언하지 않았기 때문이다.
delete ptr;
}
이 코드를 실행하면 Derived 객체의 소멸자가 호출되지 않는다.
이러한 업캐스팅 시, 파생 클래스의 객체가 업 캐스팅 되기 때문에 기본 클래스로 인식이 되어 파생 클래스의 소멸자가 호출되지 않는 것이다.
이와 같은 문제를 해결하기 위해 기본 클래스의 소멸자를 virtual 로 선언하고, 파생 클래스에서 소멸자를 구현한다면 정상적으로 파생 클래스의 소멸자가 호출된다.
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class Base {
public:
Base() {}
virtual ~Base() {}
};
class Derived : public Base{
public:
Derived() {
mString = new char[30];
cout << "mString allocated" << endl;
}
virtual ~Derived() override {
delete[] mString;
cout << "mString deallocated" << endl;
}
private:
char* mString;
};
int main() {
Base* ptr = new Derived();
delete ptr;
}
NOTE : 소멸자에서 따로 처리할 일은 없고 virtual로만 지정하고 싶다면 다음과 같이 디폴트로 지정한다.
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class Base {
public:
virtual ~Base() = default;
};
참고. Professional C++ 4/E - Marc Gregoire