상속과 관계

널널한 개발자님의 독하게 시작하는 Java Part 2에서 상속의 기본 개념과 extends 키워드 사용법, 생성자 호출 스택과 super 키워드의 역할, 메서드 재정의와 프레임워크 패턴 구현 방법, 클래스 간의 관계를 UML로 표현하는 방법, 정적 바인딩과 동적 바인딩의 차이를 학습하며 객체 지향 프로그래밍의 상속 개념을 정리함

상속의 기본 이론

상속이란

객체 단위의 코드를 재사용하고 확장하는 문법으로 extends 키워드를 사용함
클래스 간의 관계를 is-a(상속) 또는 has-a(포함) 관계로 설명할 수 있음
Java는 C++와 달리 다중 상속을 허용하지 않으며 모든 클래스는 최상위 클래스인 Object의 파생 형식임
파생 클래스 인스턴스는 내부적으로 부모 클래스의 인스턴스를 포함하는 구조를 가짐

기본 구조

class BaseClass {
    protected int baseValue = 100;  // 부모 멤버 변수

    public BaseClass() {
        System.out.println("BaseClass 생성자 호출됨");
    }
}

class DerivedClass extends BaseClass {
    private int derivedValue = 200;  // 자식 멤버 변수

    public DerivedClass() {
        super();  // 부모 클래스 생성자 명시적 호출
        System.out.println("DerivedClass 생성자 호출됨");
    }

    public void display() {
        System.out.println("Base: " + baseValue);  // 부모 변수 접근
        System.out.println("Derived: " + derivedValue);
    }
}

상속 관계의 특징
- DerivedClass는 BaseClass의 모든 protected 및 public 멤버에 접근 가능함
- 파생 클래스 인스턴스는 부모 클래스의 인스턴스를 내부에 포함함
- DerivedClass 객체를 생성하면 baseValue와 derivedValue 모두 메모리에 할당됨

상속과 메모리 구조

[Heap 영역]
DerivedClass 객체 {
    BaseClass 부분 {
        baseValue: 100
    }
    DerivedClass 부분 {
        derivedValue: 200
    }
    vtable 참조
}

객체 생성 시 메모리 레이아웃
- 자식 클래스의 객체를 생성하면 힙 메모리에는 부모 클래스의 멤버 변수 공간과 자식 클래스의 멤버 변수 공간이 모두 할당됨
- 논리적으로는 상속이지만 물리적으로는 하나의 큰 객체 안에 부모의 데이터 영역이 포함되는 형태임

is-a vs has-a

is-a 관계 (상속)
- Bicycle is-a Vehicle
- 파생 클래스가 부모 클래스의 한 종류임을 의미함

class Vehicle {
    protected String brand;

    public void move() {
        System.out.println("이동 중...");
    }
}

class Bicycle extends Vehicle {
    private int gearCount;

    @Override
    public void move() {
        System.out.println("페달을 밟아 이동 중...");
    }
}

사용 예제
- Vehicle vehicle = new Bicycle(); (Bicycle is-a Vehicle)
- vehicle.move(); 호출 시 “페달을 밟아 이동 중…” 출력 (동적 바인딩)
has-a 관계 (포함)
- 한 클래스가 다른 클래스를 멤버로 포함함

class Processor {
    private int coreCount;  // 코어 개수
}

class Computer {
    private Processor cpu;  // Processor를 멤버로 포함함 (포함 관계)
}

생성자 호출 스택과 super

생성자 호출 순서

파생 클래스의 생성자가 호출될 때 부모 클래스의 생성자가 가장 먼저 실행됨
super() 구문을 사용하여 부모 클래스의 여러 생성자 중 특정 생성자를 강제로 호출할 수 있음
부모 클래스의 필드가 private인 경우 파생 클래스에서 직접 접근할 수 없으므로 protected를 사용하거나 메서드를 통해 접근해야 함

super를 이용한 생성자 선택

class Test {
    public Test(int param) {
        System.out.println("Test(int)");
    }
}

class TestEx extends Test {
    public TestEx(int param) {
        super(param); // 부모의 특정 생성자 호출
        System.out.println("TestEx(int)");
    }
}

실행 결과

Test(int)
TestEx(int)

주의사항
- super() 호출은 생성자의 첫 번째 문장이어야 함
- 명시적으로 super()를 호출하지 않으면 컴파일러가 자동으로 부모의 기본 생성자 super()를 삽입함
- 중요: 부모 클래스에 기본 생성자가 없고 매개변수가 있는 생성자만 있다면, 자식 클래스 생성자에서 반드시 super(인자)로 부모 생성자를 명시적으로 호출해야 함
- 그렇지 않으면 컴파일러가 자동 삽입하려는 기본 생성자 super()를 부모 클래스에서 찾을 수 없어 컴파일 에러가 발생함

protected 접근 제어자

class Parent {
    private int privateData;
    protected int protectedData;

    protected void setPrivateData(int data) {
        this.privateData = data;
    }
}

class Child extends Parent {
    public void accessData() {
        // this.privateData = 10;    // 컴파일 에러
        this.protectedData = 20;      // 가능
        this.setPrivateData(30);      // 가능
    }
}

메서드 재정의와 프레임워크 구조

메서드 재정의(Overriding)

부모의 기능을 대체하거나 새로운 코드를 추가하기 위해 사용함
@Override 어노테이션을 사용하여 컴파일러의 검증을 받는 것이 권장됨
final로 선언된 메서드는 파생 클래스에서 재정의할 수 없음

메서드 재정의와 기능 확장

class Test {
    protected int data;

    public void setData(int param) {
        this.data = param;
    }
}

class TestEx extends Test {
    @Override
    public void setData(int param) {
        if(param < 0) param = 0; // 기능 추가(필터링)
        super.setData(param);    // 부모의 기존 로직 호출
    }
}

재정의의 장점
- 부모의 기존 기능을 유지하면서 추가 로직을 삽입할 수 있음
- super.메서드명()으로 부모의 원본 구현을 호출할 수 있음

프레임워크 스타일의 메서드 호출

부모 클래스에서 흐름을 정의하고 파생 클래스에서 세부 동작(추상 메서드 등)을 구현하는 방식을 활용함
템플릿 메서드 패턴의 기본 구조임

abstract class DataProcessor {
    // 템플릿 메서드 - 처리 흐름 정의
    // final로 선언하여 하위 클래스에서 흐름을 변경하지 못하도록 함
    public final void process() {
        readData();
        processData();
        writeData();
    }

    // 하위 클래스에서 구현할 추상 메서드 (protected)
    protected abstract void readData();
    protected abstract void processData();
    protected abstract void writeData();
}

class CSVProcessor extends DataProcessor {
    @Override
    protected void readData() {
        System.out.println("CSV 파일 읽기");
    }

    @Override
    protected void processData() {
        System.out.println("CSV 데이터 처리");
    }

    @Override
    protected void writeData() {
        System.out.println("CSV 파일 쓰기");
    }
}

패턴의 핵심
- 부모 클래스가 알고리즘의 골격(process)을 정의함
- 자식 클래스는 세부 단계(readData 등)를 구현함
- final 키워드로 템플릿 메서드를 보호하여 전체 흐름이 변경되는 것을 방지함
Called by framework 패턴
- 프레임워크가 흐름을 제어하고, 개발자는 필요한 메서드(Hook 등)만 구현함
- Android의 onCreate(), onDestroy() 등이 대표적인 예시임
- 제어의 역전(IoC, Inversion of Control) 원칙을 따름

클래스 관계와 UML

UML이란

클래스 간의 관계를 시각화하기 위해 UML(Unified Modeling Language) 표준을 사용함
소프트웨어 설계를 문서화하고 의사소통하는 표준 방법임

주요 관계 유형

일반화(Generalization)
- 상속 관계를 나타냄
- 삼각형 화살표로 표시함
- 자식 → 부모 방향
실체화(Realization)
- 인터페이스 상속을 나타냄
- 점선 삼각형 화살표로 표시함
집합(Aggregation)
- 부분이 전체와 독립적으로 존재할 수 있는 관계
- 빈 다이아몬드로 표시함
합성(Composition)
- 부분이 전체에 종속되어 전체가 사라지면 부분도 사라지는 관계
- 채워진 다이아몬드로 표시함
의존(Dependency)
- 한 클래스가 다른 클래스를 사용하는 관계
- 점선 화살표로 표시함
연관(Association)
- 클래스 간의 참조 관계
- 실선 화살표로 표시함

합성 관계 구현

class Heart {
    // 심장 기능
}

class Person {
    private final Heart heart = new Heart();  // Person과 함께 생성되고 소멸됨

    public Person() {
        // 내부에서 직접 Heart 객체를 생성함
    }
}

특징
- Person이 삭제되면 Heart 인스턴스도 함께 소멸됨
- 강한 결합(Strong Coupling)을 나타냄
- 빈 수명주기를 공유함

집합 관계 구현

class Student {
    private String name;  // 학생 정보
}

class School {
    private List<Student> students;  // 외부에서 생성된 객체를 참조함

    // 외부에서 생성된 Student 객체를 받아서 사용함
    public School(List<Student> students) {
        this.students = students;
    }

    public void addStudent(Student student) {
        students.add(student);  // 외부 객체를 추가
    }
}

특징
- School이 삭제되어도 Student 인스턴스는 독립적으로 존재할 수 있음
- 약한 결합(Loose Coupling)을 나타냄
- 객체를 외부에서 주입받음(Dependency Injection)

바인딩과 동적 바인딩

바인딩이란

함수 호출 관계가 맺어지는 것을 바인딩이라고 함
시점에 따라 정적 바인딩과 동적 바인딩으로 구분됨

정적 바인딩 (Static Binding)

특징
- 컴파일 시점에 호출될 메서드가 결정됨
- static, private, final 메서드와 생성자가 해당됨
- 이들은 오버라이딩이 불가능하거나(private, final), 클래스 레벨에 속하므로(static) 컴파일러가 호출 대상을 확정할 수 있음

// 정적 메서드는 오버라이딩되지 않고 숨겨짐(Hiding)
class Parent {
    public static void print() {
        System.out.println("Parent static");
    }
}

class Child extends Parent {
    // 오버라이딩 아님, 단순히 같은 이름의 메서드를 정의한 것(Hiding)
    public static void print() {
        System.out.println("Child static");
    }
}

// 참조 변수의 타입에 따라 호출 대상이 정해짐
Parent p = new Child();
p.print(); // "Parent static" (정적 바인딩)

Child c = new Child();
c.print(); // "Child static"

동적 바인딩 (Dynamic Binding)

정의
- 실행 시점(Run-time)에 호출될 메서드가 결정되는 메커니즘
- 부모 타입의 참조 변수가 자식 객체를 가리킬 때, 오버라이딩된 메서드 호출이 실제 객체 타입에 따라 연결되는 것
발생 조건
- 상속 관계가 존재해야 함
- 메서드가 오버라이딩되어 있어야 함
- 부모 타입의 참조 변수로 메서드를 호출해야 함

class Animal {
    public void sound() { System.out.println("..."); }
}

class Dog extends Animal {
    @Override
    public void sound() { System.out.println("Bark"); }
}

// 동적 바인딩 발생
Animal animal = new Dog();
animal.sound(); // "Bark" - 런타임에 Dog의 vtable을 확인하여 호출

가상 함수 테이블 (vtable)

JVM의 메서드 디스패치
- JVM 구현에 따라 다를 수 있지만, 대부분 vtable과 유사한 메커니즘을 사용함
- 각 클래스는 자신의 메서드 테이블 정보를 유지함
- 객체는 자신의 클래스 메타데이터를 가리키는 참조를 포함함
- 주의
  - Java 언어 스펙은 구체적인 구현 방식을 명시하지 않음
동작 방식 (HotSpot JVM 기준)
- 오버라이딩된 메서드는 vtable에서 자식 클래스의 메서드 주소로 갱신됨
- animal.sound() 호출 시
  1. animal 변수가 가리키는 실제 객체(Dog)의 헤더에서 클래스 정보를 확인
  2. Dog 클래스의 vtable 조회
  3. sound() 메서드의 실제 주소로 점프하여 실행
- 이 과정이 런타임에 일어나므로 동적 바인딩이라 함

연습 문제

객체 지향 프로그래밍에서 상속의 주된 목적은 무엇일까요?

a. 코드 재사용 및 확장성을 높이기 위함
- 상속은 부모 클래스의 기능을 물려받아 코드를 재사용하고, 거기에 새로운 기능을 추가하여 확장성을 얻는 핵심 기법임
- 이는 객체 지향의 중요한 원칙임
상속 관계에서 자식 클래스의 인스턴스를 생성할 때, 생성자 실행 순서는 어떻게 될까요?

a. 자식 생성자가 부모 생성자를 호출하고, 부모 생성자가 먼저 실행된 후 자식 생성자의 코드가 실행된다.
- 자식 생성자가 먼저 호출되지만, 실제 코드는 자식 생성자 안에서 부모 생성자를 먼저 호출하여 부모 생성자의 코드가 실행 완료된 후 자식 생성자의 코드가 실행됨
부모 클래스의 특정 멤버를 자식 클래스에서는 접근할 수 있지만, 외부에서는 접근하지 못하게 하려면 어떤 접근 제어자를 사용할까요?

a. protected
- protected는 해당 클래스 내, 같은 패키지 내, 그리고 상속받은 자식 클래스 내에서 접근을 허용함
- 상속 관계에서 자식에게만 멤버를 공개할 때 유용함
객체 지향에서 메서드 오버라이딩(Overriding)은 무엇을 의미할까요?

a. 부모 클래스의 메서드를 자식 클래스에서 같은 이름으로 재정의하는 것
- 오버라이딩은 상속받은 부모 클래스의 메서드를 자식 클래스에서 동일한 시그니처로 다르게 구현하는 재정의 기법임
- 기존 기능을 변경하거나 확장할 때 사용됨
부모 클래스 타입의 참조 변수로 자식 클래스 인스턴스를 가리킬 때, 오버라이딩된 메서드를 호출하면 어떤 메서드가 실행될까요?

a. 실제 생성된 객체 인스턴스 타입에 해당하는 자식 클래스의 오버라이딩된 메서드
- 오버라이딩된 메서드 호출 시, 실제 실행되는 코드는 참조 변수의 타입이 아닌 인스턴스(객체)의 타입에 따라 런타임에 결정됨
- 이것이 동적 바인딩의 특징임

정리

상속은 extends 키워드를 사용하여 코드를 재사용하고 확장하는 문법임
파생 클래스 생성자 호출 시 부모 클래스의 생성자가 먼저 실행되며 super()로 제어할 수 있음
메서드 재정의는 @Override 어노테이션을 사용하여 부모의 기능을 확장하거나 대체함
프레임워크 패턴은 부모가 흐름을 정의하고 자식이 세부 동작을 구현하는 구조임
UML은 클래스 간의 관계를 시각화하는 표준 방법이며 다양한 관계 유형이 존재함
정적 바인딩은 컴파일 시점에, 동적 바인딩은 실행 시점에 함수 호출이 결정됨
Java의 다형성은 vtable을 통한 동적 바인딩으로 구현되어 유연한 코드 작성이 가능함

Reference

독하게 시작하는 Java - Part 2 강의

독하게 시작하는 Java Part 2 - 상속과 관계

상속과 관계

상속의 기본 이론

상속이란

기본 구조

상속과 메모리 구조

is-a vs has-a

생성자 호출 스택과 super

생성자 호출 순서

super를 이용한 생성자 선택

protected 접근 제어자

메서드 재정의와 프레임워크 구조

메서드 재정의(Overriding)

메서드 재정의와 기능 확장

프레임워크 스타일의 메서드 호출

클래스 관계와 UML

UML이란

주요 관계 유형

합성 관계 구현

집합 관계 구현

바인딩과 동적 바인딩

바인딩이란

정적 바인딩 (Static Binding)

동적 바인딩 (Dynamic Binding)

가상 함수 테이블 (vtable)

연습 문제

정리

Reference

Further Reading

김영한의 실전 자바 - 상속

독하게 시작하는 Java Part 2 - 다형성

김영한의 실전 자바 - 다형성 1