가상 함수 virtual

개요

c++에서 virtual은 상속 개념에서 사용된다. java에서는 상속 관계에서 모든 함수가 가상 함수로 사용되지만, c++에서는 virtual을 명시하는 것과 아닌 것에 큰 차이가 생기기 때문에 유의해서 사용해야 한다.

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가장 간단한 예시와 함께 알아보기

class Base {
public:
    void foo()
    {
        cout << "Base";
    }
};

class Derived : public Base {
public:
    void foo()
    {
        cout << "Derived";
    };
};

int _tmain(int argc, TCHAR* argv[])
{
    Base* b = new Derived;
    b->foo();

    delete b;
    return 0;
}

main에서 foo를 호출하면 어떤 함수가 호출될까?

다형성을 생각하면 Derived의 foo가 호출되기를 바라지만

    b->foo();
00621039 8B 4D FC             mov         ecx,dword ptr [b]  
0062103C E8 BF FF FF FF       call        Base::foo (0621000h)  
00621041 90                   nop

실제로는 위와 같이 Base::foo를 명시적으로 호출함을 알 수 있다.

 

따라서 Base의 foo에 virtual을 붙여서 테스트 해보자.

    b->foo();
00771073 8B 4D FC             mov         ecx,dword ptr [b]  
00771076 8B 11                mov         edx,dword ptr [ecx]  
00771078 8B 4D FC             mov         ecx,dword ptr [b]  
0077107B 8B 02                mov         eax,dword ptr [edx]  
0077107D FF D0                call        eax  
0077107F 90                   nop

Base의 foo에 virtual을 붙이니 b->foo()의 어셈블리 코드가 위와 같이 바뀌었다.

또한 Derived가 출력되는 것을 볼 수 있다.

 

어셈블리 코드만 보면 b(객체의 주소)안의 값을 edx에 불러오고 edx안의 값을 eax에 불러와서 이를 call 한다.

call하는 것으로 보아 eax는 함수일텐데 어떻게 된것인지 알아보자.

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가상 함수 테이블

위의 동작은 객체에 생성되는 가상 함수 테이블을 이해하면 알 수 있다.

 

C++에서 virtual 함수가 존재하는 클래스의 생성자 내부에서는 다음과 같은 어셈블리 코드가 실행된다:

CPP_Study.exe!Base::Base(void):
007710E0 55                   push        ebp  
007710E1 8B EC                mov         ebp,esp  
007710E3 51                   push        ecx  
007710E4 89 4D FC             mov         dword ptr [this],ecx  
007710E7 8B 45 FC             mov         eax,dword ptr [this]  
007710EA C7 00 D4 31 77 00    mov         dword ptr [eax],offset Base::`vftable' (07731D4h)  
007710F0 8B 45 FC             mov         eax,dword ptr [this]  
007710F3 8B E5                mov         esp,ebp  
007710F5 5D                   pop         ebp  
007710F6 C3                   ret

특히 007710EA 줄에서는 해당 객체의 시작 주소에 vftable의 주소를 저장하는 것을 볼 수 있다.
이로써 객체 메모리의 가장 앞부분에는 가상 함수 테이블의 포인터가 저장된다는 사실을 알 수 있다.

 

상속에서의 virtual table

class A
{
    virtual void foo1()
    {
        cout << "A1" << '\n';
    }
    virtual void foo2()
    {
        cout << "A2" << '\n';
    }
    virtual void foo3()
    {
        cout << "A3" << '\n';
    }
    void foo4()
    {
        cout << "A4" << '\n';
    }
};

class B : public A
{
    virtual void foo1()
    {
        cout << "B1" << '\n';
    }
    void foo2()
    {
        cout << "B2" << '\n';
    }

    void foo4()
    {
        cout << "B4" << '\n';
    }
    
};

class C : public B
{
    void foo1()
    {
        cout << "C1" << '\n';
    }
    void foo4()
    {
        cout << "C4" << '\n';
    }
};

int _tmain(int argc, TCHAR* argv[])
{
    A a;
    B b;
    C c;

    return 0;
}

이 경우 가상 함수 테이블은 어떻게 설정될까?

C++에서는 객체가 생성될 때, 생성자는 부모 클래스 → 자식 클래스 순으로 호출되며, 각 생성자 내에서 자신의 vftable을 설정한다.

따라서 실제로 객체가 생성될 때 가상 함수 테이블은 다음과 같이 단계적으로 덮어써지며 설정된다:

1. 가장 먼저 A 클래스의 vtable이 설정된다.
2. 이후 B 클래스 생성자가 호출되며 B에서 재정의한 가상 함수(예: foo1)가 반영된 새로운 vtable로 덮어쓴다.
3. 마지막으로 C 클래스 생성자에서 또다시 vtable이 갱신되어 최종적으로 C의 가상 함수 구현이 반영된다.

이러한 방식으로 C++은 상속 구조 내에서 각 객체가 올바른 가상 함수 동작을 수행할 수 있도록 객체 생성 시점에 vtable을 순차적으로 설정한다.

A, B, C 각각의 virtual table을 조사식을 통해 보면 위와 같다.

가상함수테이블 주소를 타고가면, 해당 위치에 배열처럼 가상함수들을 관리하고 있음을 알 수 있다.

 

또한 C를 생성하는 코드의 어셈블리를 보면 vftable 주소를 A->B->C 순으로 교체하고 있음을 확인할 수 있다. 

 

소멸자도 확인해보면 소멸하면서 C->B->A 순으로 가상함수테이블을 교체한다.

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추가적으로 c++11이후에는 override 키워드를 활용할 수 있다.

overiide 키워드를 붙이지 않는다고 컴파일이 안되는 것은 아니지만, 문법 오류 등을 잡기 좋고, 명시적으로 overriding을 하고 있음을 나타낼 수 있다.