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C++ 가상 함수 테이블

들어가며

오늘은 개념을 리마인드하자는 의미에서 C++에 관한 이야기를 해보겠습니다. 제목에 적혀있다시피 가상 함수에 대한 이야기입니다.

1. 다형성(Polymorphism)의 시작

우리가 객체지향 이라고 부르는 프로그래밍 패러다임 이전에는 코드를 어떻게 작성했는지 아시나요?

만약 캐릭터의 무기 종류에 따라 데미지 산출이 다르다면 다음과 같이 코드를 작성해야합니다.

void CalculateSwordDamage(float Damage);
void CalculateStaffDamage(float Damage, MagicType Type);

새로운 타입의 무기가 추가되면, 새로운 함수를 또 만들어야 했죠. 이 방식은 기능이 추가될 때마다 코드를 계속해서 수정하고 확장해야 하므로 매우 비효율적입니다.

그래서 다형성(Polymorphism)이란 개념이 등장했습니다. 이건 하나의 인터페이스나 타입으로 여러 다른 형태의 객체를 다룰 수 있는 능력을 말합니다.

앞 선 무기를 생각해볼까요? 모두 ‘공격’이라는 공통적인 기능을 가지고 있습니다. 이럴 때 모든 무기를 Weapon 이라는 하나의 부모 클래스로 묶고 각 무기별 특성에 맞는 공격 방식을 구현하면, 각기 다른 무기를 동일한 방식으로 다룰 수 있게 됩니다.

2. 가상함수와 오버라이딩

다형성을 구현하기 위한 가장 대표적인 방법이 바로 가상 함수 입니다. 가상 함수는 부모 클래스에 virtual 키워드를 붙여 선언하고, 자식 클래스에서 이를 재정의(override)하여 사용합니다.

Weapon
class Weapon
{
public:
    Weapon() { Damage = 1.0f; }
    virtual ~Weapon() = default;
    
    virtual double GetWeaponDamage()
    {
        return Damage * 1.0f;
    }

protected:
    double Damage;
};

위 코드에서 Weapon 클래스의 GetWeaponDamage() 함수는 virtual 키워드가 붙어있습니다. 이제 이 클래스를 상속받는 Sword 클래스를 볼까요?

Sword
class Sword : public Weapon
{
public:
    Sword() { Damage = 2.0f; }

    virtual double GetWeaponDamage() override
    {
        return Damage * 2.5f;
    }
};

Sword 클래스 GetWeaponDamage() 함수를 override 키워드와 함께 재정의했습니다. 이제 Sword 클래스의 GetWeaponDamage() 함수를 호출하면 Damage의 2.5배의 값이 반환됩니다.

3. C++ 컴파일러는 어떻게 가상 함수를 호출할까?

일반적인 함수 호출은 컴파일러에 의해 런타임 상황에선 이미 함수의 주소를 알고 있습니다. 이를 정적 바인딩(Static Binding) 이라고 합니다. 하지만 가상 함수는 어떨까요? 만약 무기 클래스를 new 통해 새로 생성한다고 하면, 컴파일 시점에서는 Weapon 을 가리킬지, Sword를 가리킬지 알 수 없습니다. 그렇기 때문에 가상 함수는 런타임에 어떤 클래스에서 함수를 호출할지 결정하게 됩니다. 이를 동적 바인딩(Dynamic Binding) 이라고 합니다.

그렇다면 컴파일러는 어떻게 런타임에 올바른 함수를 찾아올까요? 바로 가상 함수 테이블(Virtual Function Table) 과 가상 함수 테이블 포인터(Virtual Function Table Pointer) 를 이용합니다.

4. 가상 함수 테이블(V-Table)의 비밀

main
signed main()
{
    Weapon* BaseWeapon = new Weapon;
    Sword* WeaponSword = new Sword;

    BaseWeapon.GetWeaponDamage();
    WeaponSword.GetWeaponDamage();

    delete BaseWeapon;
    delete WeaponSword;

    return 0;
}

위 코드는 앞 선 클래스를 생성하고 함수를 호출하고 있는 코드입니다. 이때 컴파일러는 가상 함수를 포함하는 클래스를 만나면, 해당 클래스의 모든 가상 함수의 주소를 담고 있는 가상 함수 테이블(V-Table) 을 생성합니다. 그리고 각 객체의 맨 앞에는 이 테이블을 가리키는 포인터, 즉 V-Pointer를 숨겨놓습니다.

위 코드의 실행 결과의 주소들을 출력해보았습니다.

Weapon 객체의 주소: 000000000013f500
가상함수 테이블의 주소: 00007ff7afc49a60
GetWeaponDamage 함수의 주소: 00007ff7afc47d30
--------------------------------
Sword 객체의 주소: 000000000012fdc0
가상함수 테이블의 주소: 00007ff7afc49a30
GetWeaponDamage 함수의 주소: 00007ff7afc47c50

결과에서 볼 수 있듯이, Weapon 객체와 Sword 객체는 각기 다른 주소의 V-Table을 가리키고 있습니다.(49a60 / 49a30)

각 V-Table에는 가상 함수 GetWeaponDamage()가 있는데요, 이 역시 다른 주소를 기리키고 있습니다. (47d30 / 47c50)

따라서 GetWeaponDamage()와 같이 가상 함수를 호출할 때, 컴파일러는 먼저 객체 내부의 V-Pointer를 찾아 V-Table로 이동하고, 거기서 올바른 함수의 주소를 찾아 호출하게 됩니다.

마무리

오늘은 컴파일러가 가상 함수를 처리하는 방법에 대해 정리해보았습니다. 거의 모든 언어와 컴파일러에서 이와 비슷한 방식을 채택하고 있기 때문에 꼭 한 번 살펴보시면 좋겠습니다. 감사합니다.