Java 기본편 강의_다형성1

다형성 1

 

다형성 시작

객체 지향 프로그래밍의 대표적인 특징으로는 캡슐화, 상속, 다형성이 있다. 그중에서 다형성은 객체 지향 프로그래밍의 꽃이라 불린다.
앞서 학습했던 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 타입의 객체로 취급될 수 있는 능력을 뜻한다. 보통 하나의 타입으로 고정되어 있다. 그런데 다형성을 사용하면 하나의 객체가 다른 타입으로 사용될 수 있다는 뜻이다. 

다형성을 이해하기 위해서는 2가지 핵심 이론을 알아야 한다.

• 다형적 참조
• 메서드 오버라이딩

다형적 참조

Parent 클래스

package poly;

public class Parent {

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

Child 클래스

package poly;

public class Child extends Parent{

    public void childMethod() {
        System.out.println("Child.childMethod");
    }
}

Main 클래스

package poly;

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 인스턴스 참조(다형적 참조)
        System.out.println("Parent -> Child");
        Parent poly = new Child();
        poly.parentMethod();

        //Child child1 = new Parent();  // 자식은 부모를 담을 수 없다.

        //poly.childMethod();  // 자식의 기능은 호출할 수 없다. 컴파일 오류 발생
    }
}

다형적 참조: 부모 타입의 변수가 자식 인스턴스 참조

Parent → Child : poly.parentMethod( )

• 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.
  Java에서 부모 타입은 자식 타입을 담을 수 있다!
  • Parent poly = new Child( ) : 성공
• 반대로 자식 타입은 부모 타입을 담을 수 없다.
  • Child child1 = new Parent( ) : 컴파일 오류 발생

다형적 참조

• Parent parent = new Parent( )
• Child child = new Child( )

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

Java에서 부모 타입은 자신은 물론이고, 자신을 기준으로 모든 자식 타입을 참조할 수 있다.
이것이 바로 다양한 형태를 참조할 수 있다고 해서 다형적 참조라고 한다.

다형성 참조의 한계

Parent → Child : poly.childMethod( )

Parent poly = new Child( ) 이렇게 자식을 참조항 상황에서 poly가 자식 타입인 Child에 있는 childMethod( )를 호출하면 어떻게 될까?
poly.childMethod( )를 실행하면 먼저 참조값을 통해 인스턴스를 찾는다. 그리고 다음으로 인스턴스 안에서 실행할 타입을 찾아야 한다. 호출자인 poly는 Parent 타입이다. 따라서 parent 클래스부터 시작해서 필요한 기능을 찾는다.
그런데 상속 관계는 부모 방향으로 찾아 올라갈 수 있지만 자식 방향으로 찾아 내려갈 수는 없다. Parent는 부모 타입이고 상위에 부모가 없다.
따라서 childMethod( )를 찾을 수 없으므로 컴파일 오류가 발생한다.

childMethod( )를 호출하고 싶으면 어떻게 해야 할까?
바로 캐스팅이 필요하다.

다형적 참조의 핵심은 부모는 자식을 품을 수 있다는 것이다.

 

다형성과 캐스팅

Parent poly = new Child( )와 같이 부모 타입의 변수를 사용하게 되면 poly.childMethod( )와 같이 자식 타입에 있는 기능은 호출할 수 없다.

package poly.basic;

import poly.Child;
import poly.Parent;

public class CastingMain1 {
    public static void main(String[] args) {
        // 부모 변수가 자식 인스턴스 참조(다형적 참조)
        Parent poly = new Child();
        // 단 자식의 기능은 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 수 없다.
  따라서 컴파일 오류가 발생한다.

다운 캐스팅

호출하는 타입을 자식인 Child 타입으로 변경하면 인스턴스의 Child에 있는 childMethod( )를 호출할 수 있다.

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 변수

부모 타입을 사용하는 변수를 자식 타입에 대입하려고 하면 컴파일 오류가 발생한다. 자식은 부모를 담을 수 없다.
이때는 다운캐스팅이라는 기능을 사용해서 부모 타입을 잠깐 자식 타입으로 변경하면 된다.

참고로 캐스팅을 한다고 해서 Parent poly의 타입이 변하는 것이 아니다. 해당 참조값을 꺼내고 꺼낸 참조값이 Child 타입이 되는 것이다. 따라서 poly의 타입은 Parent로 기존과 같이 유지된다.

캐스팅

• 업캐스팅(upcasting) : 부모 타입으로 변경
• 다운캐스팅(downcasting) : 자식 타입으로 변경

 

캐스팅의 종류

일시적 다운 캐스팅

package poly.basic;

public class CastingMain2 {
    public static void main(String[] args) {
        // 부모 변수가 자식 인스턴스 참조(다형적 참조)
        Parent poly = new Child();
        // 단 자식의 기능은 호출할 수 없다. 컴파일 오류 발생
        //poly.childMethod();

        // 일시적 다운캐스팅 - 해당 메서드를 호출하는 순간만 다운캐스팅
        ((Child) poly).childMethod();
    }
}

캐스팅을 한다고 해서 Parent poly의 타입이 변하는 것은 아니다. 해당 참조값을 꺼내고 꺼낸 참조값이 Child 타입이 되는 것이다.
따라서 poly의 타입은 Parent로 그대로 유지된다.

이렇게 일시적 다운캐스팅을 사용하면 별도의 변수 없이 인스턴스의 자식 타입의 기능을 사용할 수 있다.

업캐스팅

package poly.basic;

// upcasting vs downcasting
public class CastingMain3 {

    public static void main(String[] args) {
        Child child = new Child();
        Parent parent1 = (Parent) child;  // 업캐스팅은 생략 가능, 생략 권장
        Parent parent2 = child;  // 업캐스팅 생략

        parent1.parentMethod();
        parent2.parentMethod();
    }

}

업캐스팅은 생략할 수 있다. 다운캐스팅은 생략할 수 없다. 참고로 업캐스팅은 매우 자주 사용하기 때문에 생략을 권장한다.
Java에서 부모는 자식을 담을 수 있다. 하지만 그 반대는 안된다. (꼭 필요하다면 다운캐스팅을 해야 한다.)

업캐스팅은 생략해도 되고, 다운캐스팅은 왜 개발자가 직접 명시적으로 캐스팅을 해야 할까?

 

다운 캐스팅과 주의점

다운캐스팅을 잘못하면 심각한 런타임 오류가 발생할 수 있다.

package poly.basic;

// 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
    }
}

먼저 new Parent( )로 부모 타입으로 객체를 생성한다. 메모리 상에 자식 타입은 전혀 존재하지 않는다.

Java에서는 이렇게 사용할 수 없는 타입으로 다운캐스팅하는 경우에 ClassCastException이라는 예외를 발생시킨다. 예외가 발생하면 다음 동작이 실행되지 않고, 프로그램이 종료된다.
따라서 child2.childMethod( ) 코드 자체가 실행되지 않는다.

업캐스팅이 안전하고 다운캐스팅이 위험한 이유

업캐스팅의 경우 이런 문제가 절대로 발생하지 않는다. 왜냐하면 객체를 생성하면 해당 타입의 상위 부모 타입은 모두 함께 생성된다!
따라서 위로만 타입을 변경하는 업캐스팅은 메모리 상에 인스턴스가 모두 존재하기 때문에 항상 안전하다. 그래서 캐스팅을 생략할 수 있다.

반면에 다운캐스팅의 경우 인스턴스에 존재하지 않는 하위 타입으로 캐스팅하는 문제가 발생할 수 있다. 왜냐라면 객체를 생성하면 부모 타입은 모두 함께 생성되지만 자식 타입은 생성되지 않는다.
따라서 개발자가 이런 문제를 인지하고 사용해야 한다는 의미로 명시적으로 캐스팅을 해주어야 한다.

컴파일 오류 vs 런타임 오류

컴파일 오류는 변수명 오타, 잘못된 클래스 이름 사용 등 Java 프로그램을 실행하기 전에 발생하는 오류이다. 이런 오류는 IDE에서 즉시 확인할 수 있기 때문에 안전하고 좋은 오류이다.
반면에 런타임 오류는 이름 그대로 프로그램이 실행되고 있는 시점에 발생하는 오류이다. 런타임 오류는 매우 안 좋은 오류이다. 왜냐하면 보통 고객이 해당 프로그램을 실행하는 도중에 발생하기 때문이다.

 

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();

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.

package poly.basic;

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.");
        }
    }
}

 

다형성과 메서드 오버라이딩

다형성을 이루는 또 하나의 중요한 핵심 이론은 바로 메서드 오버라이딩이다.
메서드 오버라이딩에서 꼭 기억해야 할 점은 오버라이딩 된 메서드가 항상 우선권을 가진다는 점이다.
그래서 이름도 기존 기능을 덮어 새로운 기능을 재정의한다는 뜻의 오버라이딩이다.

메서드 오버라이딩의 진짜 힘은 다형성과 함께 사용할 때 나타난다.

• 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 오버라이딩했다.
  • 메서드는 오버라이딩된다.

Parent 클래스

package poly.overriding;

public class Parent {

    public String value = "parent";

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

 Child 클래스

package poly.overriding;

public class Child extends Parent{

    public String value = "child";

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

Main 클래스

package poly.overriding;

public class OverridingMain {

    public static void main(String[] args) {
        // 자식 변수가 자식 인스턴스 참조
        Child child = new Child();
        System.out.println("Child -> Child");
        System.out.println("value = " + child.value);
        child.method();

        // 부모 변수가 부모 인스턴스 참조
        Parent parent = new Parent();
        System.out.println("Parent -> Parent");
        System.out.println("value = " + parent.value);
        parent.method();

        // 부모 변수가 자식 인스턴스 참조 (다형적 참조)
        Parent poly = new Child();
        System.out.println("Parent -> Parent");
        System.out.println("value = " + poly.value);  // 변수는 오버라이딩 X
        poly.method();  // 메서드는 오버라이딩!
    }
}

Parent → Child

• 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 오버라이딩 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.

다형성을 이루는 핵심 이론인 다형적 참조와 메서드 오버라이딩에 대해 배웠다.

• 다형적 참조 : 하나의 변수 타입으로 다양한 자식 인스턴스를 참조할 수 있는 기능이다.
• 메서드 오버라이딩 : 기존 기능을 하위 타입에서 새로운 기능으로 재정의한다.