아래는 **가상 함수(virtual function)**에 대해 초보자와 상급자를 위한 두 가지 설명입니다.

초보자용 설명: 가상 함수란?

가상 함수는 객체 지향 프로그래밍에서 사용되는 기능으로, 부모 클래스(기본 클래스)에 정의된 함수를 자식 클래스(파생 클래스)에서 **재정의(오버라이딩)**할 수 있게 해줍니다.

• 목적:
  • 다형성(Polymorphism)을 구현하기 위해 사용됩니다.
  • 부모 클래스의 포인터나 참조를 사용해 자식 클래스의 객체를 다룰 때, 올바른(자식 클래스에서 재정의된) 함수를 호출하도록 보장합니다. → 그림 작업 중 **“스케치”**를 미리 해두어, 이후 작업에 있어 기초 “구조”를 엇나가지 않게 잡아주는 역할이라고 생각해도 좋습니다.
• 예시:

  • 상황: 여러분이 동물(Animal)이라는 클래스를 만들고, 그 안에 makeSound()라는 함수를 정의했다고 합시다.

  • 부모 클래스:

    class Animal {
    public:
        virtual void makeSound() {
            std::cout << "Some generic animal sound" << std::endl;
        }
    };
    

  • 자식 클래스:

    class Dog : public Animal {
    public:
        void makeSound() override { // Dog 클래스에서는 재정의
            std::cout << "Bark!" << std::endl;
        }
    };
    

  • 결과:

    Animal* animal = new Dog();
    animal->makeSound();  // "Bark!"가 출력됩니다.
    

    • 여기서 makeSound()가 가상 함수이기 때문에, Animal 포인터를 통해 Dog 객체의 재정의된 makeSound()가 호출됩니다.

즉, 가상 함수는 같은 이름의 함수라도 객체의 실제 타입에 따라 다른 동작을 수행하도록 만드는 중요한 도구입니다.

상급자용 설명: 가상 함수의 원리와 응용

1. 동적 바인딩(Dynamic Binding)과 vtable

• 동적 바인딩:
  • 가상 함수 호출은 런타임에(실행 도중) 호출할 함수를 결정합니다.
  • 이는 정적 바인딩(컴파일 타임에 호출할 함수가 결정되는 방식)과 대조되며, 동적 바인딩은 다형성을 가능하게 합니다.
• vtable(가상 함수 테이블):
  • 컴파일러는 각 클래스에 대해 vtable이라는 테이블을 생성합니다.
  • vtable은 해당 클래스의 가상 함수들에 대한 포인터 배열입니다.
  • 각 객체는 자신의 클래스에 해당하는 vtable을 가리키는 숨겨진 포인터(예: vptr)를 포함합니다.
  • 가상 함수 호출 시, 객체의 vptr을 통해 vtable에 접근하여 올바른 함수 포인터를 찾아 호출하게 됩니다.

2. 가상 함수 호출 최적화: Devirtualization

• 문제점:
  • 가상 함수 호출은 vtable 조회라는 간접 호출(indirect call) 과정을 포함하므로, 일반적인 직접 호출에 비해 약간의 오버헤드가 발생합니다.
• 최적화 기법 (Devirtualization):
  • 컴파일러나 JIT는 특정 호출 시점에 객체의 타입이 명확할 경우, 가상 호출을 직접 호출(direct call)로 변경할 수 있습니다.
  • 예를 들어, 최적화 과정에서 호출 대상이 final 클래스(더 이상 상속되어 오버라이드되지 않는 클래스)임이 확인되면, vtable 조회를 생략하고 직접 해당 함수를 호출할 수 있습니다.
  • 이 과정은 인라인화(inlining) 등의 추가 최적화를 가능하게 하여 성능 향상에 기여합니다.

3. 가상 함수의 설계 및 응용

• 디자인 패턴에서의 활용:
  • 템플릿 메서드 패턴(Template Method Pattern): 부모 클래스에서 기본 흐름을 정의하고, 가상 함수를 통해 특정 부분을 자식 클래스에서 구현하게 함으로써, 코드 재사용과 확장성을 높입니다.
  • 전략 패턴(Strategy Pattern): 인터페이스(가상 함수 집합)를 통해 다양한 알고리즘을 캡슐화하고, 런타임에 교체할 수 있게 해줍니다.
• 메모리와 성능 고려:
  • 가상 함수 사용 시, 각 객체에 vptr이 추가되어 메모리 오버헤드가 발생하지만, 이는 현대 컴파일러와 하드웨어에서 보통 무시할 수 있는 수준입니다.
  • 성능이 중요한 경우, 가상 함수 호출의 오버헤드를 줄이기 위한 최적화(예: devirtualization)를 적극 활용합니다.