다형성

널널한 개발자님의 독하게 시작하는 Java Part 2에서 다형성의 개념과 클래스 형변환(업캐스팅, 다운캐스팅), 추상 클래스와 인터페이스의 차이점, 열거형을 활용한 심볼릭 상수 정의 방법을 학습하며 객체 지향 프로그래밍의 원리를 정리함

다형성

다형성의 개념

정의
- 같은 종의 생물이지만 형태나 형질이 다양하게 나타나는 현상을 프로그래밍에 접목한 것임
프로그래밍적 의미
- 하나의 타입(부모 클래스/인터페이스)으로 여러 형태의 객체를 다루는 능력
장점
- 유연성
  - 새로운 파생 클래스 추가 시 기존 코드를 수정할 필요가 없음
- 확장성
  - 인터페이스를 통해 다양한 구현체를 쉽게 교체할 수 있음
- 유지보수성
  - 추상화된 타입으로 일관된 로직 처리가 가능함

Polymorphism Diagram

다형성 활용 예제

객체 지향 프로그래밍에서 다형성을 활용하면, 구체적인 자식 클래스에 의존하지 않고 추상화된 부모 타입으로 코드를 작성할 수 있음

// 다형성의 실용적 활용
class ZooKeeper {
    private List<Animal> animals = new ArrayList<>();

    public void addAnimal(Animal animal) {
        animals.add(animal);  // 어떤 동물이든 추가 가능
    }

    public void makeAllSounds() {
        for (Animal animal : animals) {
            animal.sound();  // 각자의 방식으로 소리 내기 (동적 바인딩)
        }
    }
}

// 사용
ZooKeeper zoo = new ZooKeeper();
zoo.addAnimal(new Dog()); // 개 추가
zoo.addAnimal(new Cat()); // 고양이 추가
zoo.addAnimal(new Rabbit()); // 토끼 추가
zoo.makeAllSounds(); // 일괄 처리

인스턴스 메모리 구조
- 구조 설명
  - Heap 영역
    - 객체 인스턴스가 생성됨
    - 부모 클래스의 멤버(Animal Members)와 자식 클래스의 멤버(Dog Members)가 모두 포함됨
  - Method 영역
    - 클래스 메타정보, 메서드 바이트코드, 상속 정보 등이 저장됨
- 특징
  - private 멤버도 메모리에는 존재하지만 접근이 차단됨
  - protected 멤버는 파생 클래스에서 접근 허용됨
  - 메서드 코드는 객체마다 중복되지 않고 메서드 영역의 코드를 공유함

형변환

클래스 형변환

업캐스팅

파생 클래스의 인스턴스를 부모 클래스 형식의 참조자로 가리키는 것임
모든 파생 형식은 부모 형식으로 안전하게 캐스팅될 수 있음

class Animal {
    void eat() {
        System.out.println("Animal eating...");
    }
}

class Dog extends Animal {
    @Override
    void eat() {
        System.out.println("Dog eating..."); // 오버라이딩
    }

    void bark() {
        System.out.println("Barking...");
    }
}

// 업캐스팅
Animal animal = new Dog(); // 자동 변환
animal.eat();              // "Dog eating..." 출력 (동적 바인딩)
// animal.bark();          // 컴파일 에러, Animal 타입에는 bark() 없음

특징
- 자동 형변환
  - 명시적 캐스팅 없이 부모 타입으로 대입 가능함
- 접근 제한
  - 부모 클래스에 선언된 멤버만 접근 가능함
- 동적 바인딩
  - 오버라이딩된 메서드는 참조 변수의 타입이 아닌, 실제 객체(Dog)의 메서드가 실행됨

Casting Flow

다운캐스팅

부모 형식의 참조자가 가리키는 대상을 특정 파생 형식으로 변환하는 것임
부모 클래스가 자식 클래스에 의존하게 되는 의존성 역전이 발생할 수 있어 주의가 필요함
다운캐스팅 조건
- 참조 변수가 실제로 가리키는 객체가 다운캐스팅하려는 타입이거나 그 하위 타입이어야 함
- 컴파일 시점에는 타입 체크만 수행하고, 실제 유효성은 런타임에 검사됨

Animal animal = new Dog(); // 실제 객체는 Dog
Dog dog = (Dog) animal;    // 가능 (명시적 형변환)
dog.bark();

// 잘못된 다운캐스팅 - 런타임 에러
Animal animal2 = new Animal(); // 실제 객체는 Animal
// Dog dog2 = (Dog) animal2;   // ClassCastException 발생

주의사항 및 생략 권고
- 추상화 파괴
  - 부모 타입으로 다루는 것이 다형성의 핵심인데, 다시 자식 타입으로 되돌리는 것은 설계적 한계를 드러냄
- OCP 위반
  - 타입별로 분기하여 다운캐스팅을 수행하면 새로운 클래스 추가 시 코드를 수정해야 함
- 가능하면 다운캐스팅 없이 메서드 오버라이딩(다형성)을 통해 문제를 해결하는 것이 좋음

instanceof 연산자

다운캐스팅이 가능한지 실행 시점에 확인(RTTI, Run Time Type Information)하는 연산자

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Scanner s = new Scanner(System.in);
        int input = s.nextInt();
        Animal animal;

        // 업캐스팅 활용
        if(input == 0)
            animal = new Dog();
        else
            animal = new Cat();

        // 다형성을 통한 메서드 호출 (권장)
        animal.sound();

        // 다운캐스팅 활용
        // 자식 클래스만의 고유 기능이 필요한 경우에 한정적으로 사용 (OCP 관점에서는 지양 대상)
        if(animal instanceof Dog) {
            Dog dog = (Dog) animal;
            // Dog에만 있는 guardHouse() 메서드 호출
            dog.guardHouse();
            System.out.println("강아지입니다.");
        } else if(animal instanceof Cat) {
            Cat cat = (Cat) animal;
            // Cat에만 있는 groom() 메서드 호출
            cat.groom();
            System.out.println("고양이입니다.");
        }
    }

    // 다형성 활용 (OCP 준수)
    void makeAnimalSound(Animal animal) {
        animal.sound();  // 각 클래스가 알아서 처리
    }

    // 타입별 분기 (OCP 위반)
    void makeAnimalSoundBad(Animal animal) {
        if(animal instanceof Dog) {
            // ...
        } else if(animal instanceof Rabbit) {
            // ...
        }
        // 새로운 동물 추가 시 메서드 수정 필요!
    }
}

사용법
- 객체 instanceof 클래스명 형식으로 사용
- true 또는 false 반환
- 다운캐스팅 전 항상 확인하는 것이 권장됨

추상 클래스

개념

설계적인 관점에서만 존재하며 new 연산자로 직접 인스턴스를 생성할 수 없음
추상 메서드(구현부가 없는 메서드)를 포함하는 것이 일반적임
파생 클래스에서 반드시 특정 메서드를 재정의하도록 강제하는 역할을 함

문법

public abstract class ClassName {
    // 추상 메서드
    abstract void methodName();

    // 일반 메서드도 포함 가능
    public void concreteMethod() {
        System.out.println("Implemented method");
    }
}

구현 예제

abstract class Animal {
    // 파생 클래스에서 반드시 구현해야 함
    abstract public void sound();
}

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

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

특징
- C++의 순수 가상 클래스 개념과 유사함
- 오직 파생 클래스를 위해 존재하는 클래스임
- 추상 메서드를 하나라도 포함하면 클래스도 abstract로 선언해야 함

인터페이스

개념

기본 정의
- 전통적으로는 구현부가 없는 순수한 추상 메서드의 집합이었으나, Java 8 이후 기능이 확장됨
- 인스턴스 필드(상태)는 가질 수 없으며 public static final 상수만 가질 수 있음
- Java 8+
  - default 메서드와 static 메서드를 통해 구현 코드를 포함할 수 있음
- Java 9+
  - private 메서드를 통해 내부 로직을 캡슐화할 수 있음
마커 인터페이스 (Marker Interface)
- 메서드 없이 단지 해당 타입임을 표시하는 용도의 인터페이스 (Serializable, Cloneable 등)

Abstract vs Interface

문법

[public] interface InterfaceName {
    // 상수 정의 (public static final 생략 가능)
    int MAX_VALUE = 100;

    // 메서드 선언 (public abstract 생략 가능)
    void methodName();
}

구현 예제

interface Animal {
    // public abstract가 생략된 형태
    void sound();
}

class Dog implements Animal {
    @Override
    public void sound() {
        System.out.println("Bow Wow");
    }
}

class Cat implements Animal {
    @Override
    public void sound() {
        System.out.println("Meow");
    }
}

인터페이스와 추상 클래스

구분	인터페이스	추상 클래스
인스턴스 필드	불가능 (상수만 가능)	가능
메서드	추상 메서드, default, static, private (Java 8+)	추상 메서드 + 일반 메서드
상속/구현	다중 구현 가능 (`implements`)	단일 상속만 가능 (`extends`)
생성자	불가능	가능 (자식이 `super()`로 호출)
설계 의도	“can-do” 능력(기능) 정의	“is-a” 본질/공통 구현 공유
접근 제어자	메서드는 기본적으로 public (Java 9+ private 가능)	다양한 접근 제어자 사용 가능
다이아몬드 문제	해결 가능 (`default` 메서드 충돌 시 명시 필요)	불가능 (단일 상속으로 원천 차단)

다중 인터페이스 구현

interface Drawable {
    void draw();
}

interface Resizable {
    void resize(int width, int height);
}

// 다중 인터페이스 구현
class Window implements Drawable, Resizable {
    @Override
    public void draw() {
        System.out.println("Drawing window");
    }

    @Override
    public void resize(int width, int height) {
        System.out.println("Resizing to " + width + "x" + height);
    }
}

장점
- 여러 역할을 동시에 수행할 수 있음
- 유연한 설계가 가능함
- 코드 재사용성이 높아짐

default 메서드 활용 예제

interface Logger {
    void log(String message);

    // 하위 호환성을 유지하며 기능 추가 가능
    default void logError(String message) {
        log("ERROR: " + message);
    }
}

class ConsoleLogger implements Logger {
    @Override
    public void log(String message) {
        System.out.println(message);
    }
    // logError는 구현하지 않아도 default 구현이 사용됨
}

열거형

개념

심볼릭 상수를 정의하는 문법으로 코드의 가독성과 형 안전성을 높여줌
java.lang.Enum 클래스의 파생 형식으로 취급됨
values(), valueOf(), ordinal() 등 유용한 메서드를 제공함

문법

public enum EnumName {
    VALUE1, VALUE2, VALUE3
}

기본 사용 예제

enum Season {
    SPRING, SUMMER, AUTUMN, WINTER
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Season season = Season.WINTER;

        // 서수(인덱스) 출력
        System.out.println(Season.valueOf("SPRING").ordinal()); // 0

        // 이름 출력
        System.out.println(season.name()); // WINTER

        // 서수 출력
        System.out.println(season.ordinal()); // 3

        // 전체 항목 순회
        for(Season s : Season.values()) {
            System.out.println(s.name());
        }
    }
}

주요 메서드

values()
- 모든 열거 상수를 배열로 반환함
- for-each 문으로 순회할 때 사용함
valueOf(String name)
- 문자열에 해당하는 열거 상수를 반환함
- 존재하지 않는 이름이면 IllegalArgumentException 발생
name()
- 열거 상수의 이름을 문자열로 반환함

ordinal()

열거 상수의 서수(0부터 시작하는 인덱스)를 반환함

주의

열거 상수의 선언 순서가 바뀌면 반환되는 정수 값이 바뀌어 버그를 초래할 수 있음

Alternative

별도의 필드를 정의하여 사용

// ordinal() 사용
enum Priority {
    LOW, MEDIUM, HIGH
}
// Priority.HIGH.ordinal() // 2 (순서 변경 시 값 변동 위험)

// 명시적 필드 사용
enum Priority {
    LOW(1), MEDIUM(5), HIGH(10);

    private final int level;

    Priority(int level) {
        this.level = level;
    }

    public int getLevel() {
        return level;
    }
}
Priority.HIGH.getLevel() // 10 (순서와 무관하게 고정)

활용 예제

enum Status {
    READY("준비"),
    RUNNING("실행 중"),
    COMPLETED("완료");

    private final String description;

    // 생성자
    Status(String description) {
        this.description = description;
    }

    public String getDescription() {
        return description;
    }
}

// 사용
Status status = Status.RUNNING;
System.out.println(status.getDescription()); // "실행 중"

특징
- 필드와 메서드를 추가할 수 있음
- 생성자는 private만 가능함
- 각 상수에 추가 데이터를 연결할 수 있음

연습 문제

부모 타입으로 참조되는 다양한 자식 객체가 동일한 메소드 호출에 다르게 반응하는 객체지향 특성은 무엇일까요?

a. 다형성
- 다형성은 하나의 타입으로 여러 형태의 객체를 다루며, 실제 객체에 따라 다른 결과(메소드 재정의)를 얻는 특성임
- 이는 객체지향 프로그래밍의 핵심 강점 중 하나임
자바에서 부모 클래스 타입을 자식 클래스 타입으로 변환하려 할 때 항상 성공한다고 보장할 수 없는 형변환은 무엇일까요?

a. 다운캐스팅
- 다운캐스팅은 부모 타입을 자식 타입으로 변환하며, 실제 객체가 해당 자식 타입이 아닐 경우 런타임 오류가 발생할 수 있음
- 업캐스팅은 항상 안전함
인스턴스를 직접 생성할 수 없으며, 주로 상속을 통해 자식 클래스가 미완성된 부분을 완성하도록 설계된 클래스 유형은 무엇일까요?

a. 추상 클래스
- 추상 클래스는 abstract 키워드로 선언되며, 불완전한(추상) 메소드를 가질 수 있어 객체를 직접 만들 수 없음
- 자식 클래스가 추상 메소드를 반드시 재정의하여 완성해야 함
자바에서 클래스는 불가능하지만, 여러 개의 상위 타입 명세를 implements하여 다중 상속과 유사한 효과를 제공하는 기능은 무엇일까요?

a. 인터페이스
- 자바는 클래스의 다중 상속은 허용하지 않지만, 인터페이스는 여러 개를 구현(implements)함으로써 다중 상위 타입의 기능을 클래스에 부여할 수 있음
서로 관련된 여러 상수 값들을 하나의 이름으로 묶어 관리하며 코드의 가독성과 안전성을 높이는 데 주로 사용되는 자바의 기능은 무엇일까요?

a. 열거형(Enum)
- 열거형(Enum)은 관련된 상수들의 집합을 효과적으로 정의하고 관리하기 위한 특별한 타입임
- 코드에서 의미를 명확히 하고 오타로 인한 오류를 방지하는 데 유용함

정리

다형성은 같은 타입의 참조자로 여러 형태의 객체를 다룰 수 있게 하는 개념임
업캐스팅은 자동으로 이루어지며 안전하지만, 다운캐스팅은 instanceof로 확인 후 수행해야 함
추상 클래스는 공통 기능을 제공하면서 일부 메서드의 구현을 강제할 수 있음
인터페이스는 순수한 명세를 정의하며 다중 구현이 가능함
열거형은 타입 안전한 상수 정의 방법으로 가독성과 유지보수성을 높여줌
이러한 기능들은 프레임워크 설계와 유연한 코드 작성의 기반이 됨

Reference

독하게 시작하는 Java - Part 2 강의

독하게 시작하는 Java Part 2 - 다형성

다형성

다형성

다형성의 개념

다형성 활용 예제

형변환

클래스 형변환

추상 클래스

개념

문법

구현 예제

인터페이스

개념

문법

구현 예제

다중 인터페이스 구현

default 메서드 활용 예제

열거형

개념

문법

기본 사용 예제

활용 예제

연습 문제

정리

Reference

Further Reading

김영한의 실전 자바 - 다형성 1

김영한의 실전 자바 - 다형성 2

독하게 시작하는 Java Part 2 - 상속과 관계