[JAVA] 다형성

다형성이란?

자바에서 다형성은 객체지향 개념의 중요한 특징 중 하나다. 다형성이란 '여러 가지 형태를 가질 수 있는 능력'을 말한다. 가장 쉬운 다형성의 예제로는 지난 시간 정리했던 오버로딩이 있다. 또한 자바에서는 한 타입의 참조변수로 여러 타입의 객체를 참조할 수 있도록 함으로써 다형성을 프로그램적으로 구현하였다.

쉽게 말해서 부모 클래스 타입의 참조변수로 자식 클래스의 인스턴스를 참조할 수 있도록 하였다는 것이다.

class Tv {
    boolean power;    // 전원 상태 (on/off)
    int channel;    // 채널
 
    void power() { power = !power }
    void channelUp() { ++channel; }
    void channelDown() { --channel; }
}
 
class CaptionTv extends Tv {
    String test;    // 캡션을 보여주기 위한 문자열
    void caption() { /*생략*/ }
}

위와 같은 코드가 작성이 되었을 때 클래스 Tv와 클래스 CaptionTv는 서로 상속관계에 있으며, 이 두 클래스의 인스턴스를 생성하고 사용하기 위해서는 new 연산자를 통해서 사용이 가능하다.

Tv t = new Tv();
CaptionTv c = new CaptionTv();

위와 같이 보통은 인스턴스 타입과 일치하는 타입의 참조변수를 사용하기 마련이다. 하지만 자바의 다형성 특징으로 Tv와 CaptionTv가 상속 관계에 있을 경우 다음과 같이 부모 클래스(Tv)의 참조변수로 자식 클래스(CaptionTv)의 인스턴스를 참조하도록 하는 것이 가능하다. ( 그 반대는 불가능하다, 컴파일은 되지만 런타임에러 발생 )

Tv t = new CaptionTv();    // 부모 타입의 참조변수로 자식 타입의 인스턴스 참조

이런 경우에 어떤 차이점이 있냐 하면 인스턴스 자체는 CaptionTv이지만 참조변수가 부모클래스 타입이기 때문에 변수 t로 사용할 수 있는 영역은 부모 클래스 영역이 된다. 무슨말이냐고 하면 예제를 보자.

public static void main(String[] args) {
    Tv t = new CaptionTv();
 
    t.power();
    t.caption();    // 에러 발생
}

부모 클래스(Tv) 영역에 있는 power메서드는 정상 작동이 되지만 자식클래스(CaptionTv)의 메서드인 caption 메서드는 수행이 되지 않는다. 한마디로 상속 받은 인스턴스(CaptionTv)이지만 부모클래스(Tv)인 것처럼 사용이 되는것을 의미한다. 

주의할 점은 다음 예제와 같은 상황이다.

class Tv {
    boolean power;    // 전원 상태 (on/off)
    int channel;    // 채널
 
    void power() { power = !power }
    void channelUp() { ++channel; }
    void channelDown() { --channel; }
    public String output() { return "Parent"; }
}
 
class CaptionTv extends Tv {
    String test;    // 캡션을 보여주기 위한 문자열
    void caption() { /*생략*/ }
    public String output() { return "Child"; }
}
 
public class PolymorphismDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Tv t = new CaptionTv();
        System.out.println(t.output());
    }
}

위와같은 코드를 실행했을 때 결과가 어떻게 될것같은지 한번 생각해보자.

어떤 결과를 상상했는지는 알 수 없지만 맞는분도 있을 것이고 틀린분도 있을 것이다. 결과는 Child가 된다. 여기서 의아할 점은 위에서 분명 부모 클래스(Tv)의 영역만을 사용한다고 했는데 왜 자식클래스(CaptionTv)의 메서드가 사용됬는지 의구심이 들것이다. 상황을 정리해보면 다음과 같다.

1. 클래스 Tv의 데이터 타입을 클래스 CaptionTv로 인스턴스화 했을 때 클래스 CaptionTv의 메서드 caption은 마치 존재하지 않는 것처럼 실행되지 않았다.

2. 클래스 Tv의 데이터 타입을 클래스 CaptionTv로해서 인스턴스화 했을 때 클래스 CaptionTv의 메서드 output를 실행하면 클래스 Tv에서 정의된 메서드가 아니라 클래스 CaptionTv에서 정의된 메서드가 실행되었다.

위의 상황으로 봤을 때 자식클래스(CaptionTv)를 부모클래스(Tv)의 데이터 타입으로 인스턴스화 했을 때 부모클래스(Tv)에 존재하는 멤버만이 해당 인스턴스의 멤버가 된다. 동시에 부모클래스(CaptionTv)에서 오버라이딩한 멤버의 동작 방식은 그대로 유지한다.

여기서 드는 의문은 이 기능을 도대체 어디에 사용하냐? 이 의문에 대한 답은 다음에 다룰 추상 클래스에서 풀린다. 간단한 예제와 함께 가볍게 살펴보고 넘어가자.

abstract class Calculator{
    int left, right;
    public void setOprands(int left, int right){
        this.left = left;
        this.right = right;
    } 
    int _sum() {
        return this.left + this.right;
    }
    public abstract void sum();  
    public abstract void avg();
    public void run(){
        sum();
        avg();
    }
}
class CalculatorDecoPlus extends Calculator {
    public void sum(){
        System.out.println("+ sum :"+_sum());
    }
    public void avg(){
        System.out.println("+ avg :"+(this.left+this.right)/2);
    }
} 
class CalculatorDecoMinus extends Calculator {
    public void sum(){
        System.out.println("- sum :"+_sum());
    }
    public void avg(){
        System.out.println("- avg :"+(this.left+this.right)/2);
    }
} 
public class CalculatorDemo {
    public static void execute(Calculator cal){
        System.out.println("실행결과");
        cal.run();
    }
    public static void main(String[] args) { 
        Calculator c1 = new CalculatorDecoPlus();
        c1.setOprands(10, 20);
         
        Calculator c2 = new CalculatorDecoMinus();
        c2.setOprands(10, 20);
         
        execute(c1);
        execute(c2);
    }
}

위에서 클래스 CalculatorDemo의 execute 메서드는 CalculatorDecoPlus와 CalculatorDecoMinus 클래스의 메소드 run을 호출하면서 그것이 '실행결과'라는 사실을 화면에 표시하는 기능을 가지고 있다. 이 때 execute 메서드 내부에서는 매개변수로 전달받은 객체 Calculator의 메서드인 run을 실행하고 있다.

그런데 여기서 매개변수의 데이터 타입이 Calculator가 아닌 CalculatorDecoPlus이거나 CalculatorDecoMinus라면 어떻게 될까? 위의 예제는 실행되지 않을 것이다. 메서드 execute 입장에서는 매개변수로 전달된 값이 Calculator 타입이거나 Calculator 클래스를 상속받은 자식 클래스이기 때문에 메서드 run을 무조건 가지고 있다는 보장이 된다. 이렇게 하나의 클래스(Calculator)가 다양한 동작(CalculatorDecoPlus, CalculatorDecoMinus)을 하는것을 다형성이라고 할 수 있다. (이 상황에서는 매개변수에 들어오는 타입이 여러개가 되어도 하나의 메서드에서 처리가 되기 때문에 매개변수의 다형성이라고도 부른다.)

메서드와는 다르게 멤버 변수가 중복 정의된 경우는 다르게 동작하는데 이는 참조변수의 타입을 따라간다. 예를 들어 다음과 같다.

class Tv {
    boolean power;    // 전원 상태 (on/off)
    int channel;    // 채널
    String test;
 
    void power() { power = !power }
    void channelUp() { ++channel; }
    void channelDown() { --channel; }
 
    public Tv() {
        this.test = "Parent";
    }
}
 
class CaptionTv extends Tv {
    String test;    // 캡션을 보여주기 위한 문자열
    void caption() { /*생략*/ }
 
    public CaptionTv() {
        this.test = "Child";
    }
}
 
public class PolymorphismDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Tv t = new CaptionTv();
        CaptionTv c = new CaptionTv();
 
        System.out.println(t.test);
        System.out.println(c.test);
    }
}
 

위의 코드가 실행되면 결과값은 다음과 같다.

Parent

Child

즉, 멤버 메서드는 참조변수의 타입에 상관 없이 오버라이딩 된 경우 실제 인스턴스의 메서드(오버라이딩 된 메서드)가 호출되지만 멤버 변수가 중복정의 된 경우에는 참조 변수의 타입에 따라 해당 클래스의 멤버변수를 접근한다.

(참고 - static메서드와 변수는 '클래스이름.멤버'로 호출. 즉, 오버라이딩 된 인스턴스 메서드만 참조변수의 타입에 영향을 받지 않음)

참조변수의 형변환

참조형 변수도 기본형 변수와 같이 형변환이 가능하다. 단 조건은 서로 상속관계에 있는 클래스 사이에서만 가능하다. 종류는 다음과 같다.

1. 부모 클래스 -> 자식 클래스 ( 다운캐스팅 / Down-casting ) : 형변환 생략 불가능

2. 자식 클래스 -> 부모 클래스 ( 업캐스팅 / Up-casting ) : 형변환 생략 가능

위에서 정리한 것처럼 2가지 유형이 있다. 업캐스팅, 다운캐스팅. 참조변수의 형변환도 캐스트연산자(괄호 안에 원하는 타입을 넣어서 앞에 붙여주는것)를 사용하는데 여기서 주의할 점은 다음 예제와 같이 업캐스팅은 이 캐스트연산자를 생략할 수 있지만 다운캐스팅은 생략할 수 없다는 점이다.

public static void main(String[] args) {
    Tv t = null;
    CaptionTv c1 = null;
    CaptionTv c2 = new CaptionTv();
    
    tv = c2;    // tv = (Tv) c2; 에서 캐스트연산자 생략 (업 캐스팅)
    c1 = (CaptionTv) tv;    // 캐스트연산자 생략 불가 (다운 캐스팅)
}

instanceof 연산자

어떤 타입에 대한 instanceof연산자의 결과가 true라는 것은 검사한 타입으로 형변환이 가능하다는 것을 뜻한다.

여러 종류의 객체를 배열로 다루기

상속관계의 클래스들을 하나의 배열에 담고 싶을 때 다음과 같이 부모클래스의 배열을 선언하여 그 안에 여러 자식 클래스들을 담을 수 있다.

(이 또한 다형성 중에 하나)

아래에 예제를 통해서 여러 종류의 Tv를 하나의 Tv배열에 담아서 관리가 가능하다.

class Tv {
    boolean power;    // 전원 상태 (on/off)
    int channel;    // 채널
 
    public Tv() {
        this.test = "Parent";
    }
}
 
class CaptionTv extends Tv {
    String test;    // 캡션을 보여주기 위한 문자열
    void caption() { /*생략*/ }
 
    public CaptionTv() {
        this.test = "Child";
    }
}
 
class WideTv extends Tv {
    void wide() { /*생략*/ }
}
 
class UltraTv extends Tv {
    void ultra() { /*생략*/ }
}
 
public class PolymorphismDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Tv[] t = new Tv[3];
        t[0] = new CaptionTv();
        t[1] = new WideTv();
        t[2] = new UltraTv();        
    }
}
 

이 기능을 응용하여 구현된 부분이 JAVA API에도 존재하는데 바로 Vector 클래스이다. Vector클래스는 내부적으로 Object타입의 배열을 가지고 있기 때문에 어떤 객체든지 하나의 배열에 관리가 가능하다. (Object 클래스가 모든 클래스의 상위 클래스 이기 때문에 )

참고서적 : Java의 정석 3rd Edition