가상 함수 (Virtual Function)

가상 함수(Virtual Function)는 부모 클래스 포인터나 참조로 자식 객체를 다룰 때, 실행 시점의 실제 객체 타입에 맞는 함수가 호출되도록 하는 C++의 다형성(Polymorphism) 메커니즘이다. 컴파일러는 가상 함수 테이블(Virtual Function Table, vtable)과 각 객체에 숨겨진 vptr 포인터를 이용해 이 동적 바인딩(Dynamic Binding)을 구현한다. 상속 계층을 다루는 코드라면 가상 소멸자(Virtual Destructor)와 override 키워드까지 함께 이해해야 한다.

정적 바인딩과 동적 바인딩

일반 멤버 함수 호출은 컴파일 시점에 포인터의 선언 타입을 기준으로 호출 대상이 결정된다. 이것이 정적 바인딩(Static Binding)이다. 반면 virtual로 선언된 함수는 실행 시점에 객체의 실제 타입을 보고 호출 대상을 고른다. 부모 타입 하나로 여러 자식을 담아 두고 같은 인터페이스로 서로 다른 동작을 실행하는 것이 다형성의 핵심이며, 가상 함수가 없으면 부모 포인터로는 항상 부모의 함수만 불린다.

#include <iostream>
#include <memory>
#include <vector>

class Shape {
public:
    virtual double area() const { return 0.0; }
    virtual ~Shape() = default;          /* 가상 소멸자 */
};

class Circle : public Shape {
    double r;
public:
    Circle(double r) : r(r) {}
    double area() const override { return 3.141592 * r * r; }
};

class Rect : public Shape {
    double w, h;
public:
    Rect(double w, double h) : w(w), h(h) {}
    double area() const override { return w * h; }
};

int main() {
    std::vector<std::unique_ptr<Shape>> shapes;
    shapes.push_back(std::make_unique<Circle>(2.0));
    shapes.push_back(std::make_unique<Rect>(3.0, 4.0));
    for (const auto &s : shapes) {
        std::cout << s->area() << '\n';  /* 실제 타입의 area가 불린다 */
    }
    return 0;
}

vtable과 vptr: 메모리 관점의 동작

가상 함수를 하나라도 가진 클래스마다 컴파일러는 가상 함수들의 주소를 담은 vtable을 하나 만들어 읽기 전용 영역에 둔다. 그리고 그 클래스의 모든 객체에는 자기 클래스의 vtable을 가리키는 숨은 포인터 vptr가 추가된다. 자식 클래스가 가상 함수를 재정의(Override)하면 자식의 vtable에서 해당 항목이 자식 함수 주소로 교체된다. 부모 포인터로 가상 함수를 호출하면, 객체의 vptr를 따라 vtable을 찾고 정해진 인덱스의 함수 주소를 읽어 호출하는 두 번의 간접 참조가 일어난다. 객체가 Circle이면 vptr가 Circle의 vtable을 가리키므로 자연스럽게 Circle::area가 선택되는 것이다.

이 구조의 비용도 알아 두어야 한다. 객체마다 vptr만큼(64비트에서 8바이트) 크기가 커지고, 호출마다 간접 참조가 추가되며, 호출 대상이 실행 시점에 정해지므로 컴파일러의 인라인(Inline) 최적화가 어려워진다. 대부분의 애플리케이션에서는 무시할 수준이지만, 성능이 극도로 중요한 내부 루프에서는 고려 대상이 된다.