[Java] 다형성

10. 다형성1

다형성 (Polymorphism)

  • 다형성 : 한 객체가 여러 타입의 객체로 취급될 수 있는 능력
package poly.basic;

public class Parent {
  public void parentMethod() {
    System.out.println("Parent.parentMethod");
  }
}

public class Child extends Parent {
  public void childMethod() {
    System.out.println("Child.childMethod");
  }
}
package poly.basic;

public class PolyMain {
  public static ovid main(String[] args) {
    System.out.println("Parent->Child");
    Parent poly = new Child();
    poly.parentMethod();

    // Child chlid1 = new Parent(); 자식은 부모를 담을 수 없다.
    // poly.childMethod(); 자식 기능은 호출할 수 없다.
  }
}


다형적 참조

  • 자바의 다형적 참조 : 부모 타입의 변수가 자식 인스턴스를 참조할 수 있다. 다양한 형태를 참조할 수 있음에 다형적 참조라고 한다.
  • Parent -> Child : poly.parentMethod()
    image
    • Child 인스턴스를 새로 만들어서 부모 타입의 변수인 poly에 참조값을 담는다.
    • 인스턴스에는 child와 parent 클래스가 생성된다.
    • 인스턴스에서 메서드 호출자와 동일한 parent 클래스에 접근해 parentMethod()를 호출한다.
  • 자바에서 부모 타입은 자식 타입을 참조할 수 있지만, 자식 타입은 부모 타입을 참조할 수 없다.
    • 상속 관계에서 자식 -> 부모 방향으로 찾아 올라갈 수 있지만, 부모 -> 자식 방향으로 찾아 내려갈 수 없다.
    • poly.childMethod()를 실행하면 컴파일 오류가 발생한다.

캐스팅

  • 다운 캐스팅 : 현재 타입을 자식 타입으로 변경하는 것
    package poly.basic;
    
    public class CastingMain1 {
      public static void main(String[] args) {
        Parent parent1 = new Child();
          
        // 다운 캐스팅 (부모 타입 -> 자식 타입)
        Child child1 = (Child) parent1;
        child.childMethod(); 
    
        Parent parent2 = new Parent();
        // Child child2 = (Child) parent2; 런타임 오류
        // child2.childMethod(); 실행불가
      }
    }
    
    • Child child1 = (Child) parent1
    • (타입) 참조대상 -> 참조대상을 특정 타입으로 변경한다.
    • Parent 타입인 parent1를 (Child)를 사용해서 일시적으로 자식 타입인 Child 타입으로 변경하여 child1 변수에 대입한다.
    • 인스턴스에서 호출자와 동일한 타입인 Child 클래스에 접근해 childMethod()를 호출한다.
    • parent1은 Parent 타입을 유지!! 해당 참조값이 Child 타입이 되는 것!!
    • ((Child) parent1).childMethod()와 같이 별도의 변수 없이 일시적으로 다운 캐스팅을 할 수 있다.
  • 자바에서는 인스턴스에 존재하지 않는 하위 타입으로 다운캐스팅하는 경우 ClassCastException이라는 런타임 예외를 발생시킨다.
    • Child child2 = (Child) parent2
    • parent2는 Parent 클래스만 존재하는 부모 타입의 인스턴스 참조값을 저장한다.
    • parent2를 Child 타입으로 다운캐스팅할 때, 메모리 상에 Child 클래스가 존재하지 않기 때문에 Child를 사용할 수 없다.
    • 여기서 ClassCastException 예외가 발생하여 프로그램이 종료된다.

  • 업 캐스팅 : 현재 타입을 부모 타입으로 변경하는 것
    package poly.basic;
    
    public class CastingMain2 {
      public static void main(String[] args) {
        Child child = new Child();
        Parent parent1 = (Parent) child; 
        Parent parent2 = child; // 업캐스팅 생략 권장
    
        parent1.parentMethod();
        parent2.parentMethod();
      }
    }
    
    • (타입) 생략 가능하며, 생략이 권장된다.
    • Child 타입인 child 참조변수의 타입을 부모 타입인 Parent로 변환한다.

instanceof

  • instanceof : 변수가 참조하는 인스턴스의 타입을 확인하기 위해 사용하는 키워드이다.

    package poly.basic;
    
    public class CastingMain {
      public static void main(String[] args) {
        Parent parent1 = new Parent();
        System.out.println("parent1 호출");
        call(parent1);
    
        Parent parent2 = new Child();
        System.out.println("parent2 호출");
        call(parent2);
      }
    
      private static void call(Parent parent) {
        parent.parentMethod();
        if(parent instanceof Child) {
          System.out.println("Child 인스턴스 맞음");
          Child child = (Child) parent;
          child.childMethod();
        }
      }
    }
    
    • parent instanceof Child
    • 다운 캐스팅을 수행하기 전 매개변수로 넘어온 parent 인스턴스가 참조하는 타입이 Child인지 확인한다.
    • true면 parent를 Child 타입으로 다운 캐스팅 후, childMethod()를 호출하도록 한다.
    • 자바 16부터는 parent instanceof Child child처럼 instanceof를 사용하면서 동시에 변수를 선언하면서 직접 다운캐스팅 하는 코드를 생략할 수 있다.
      if (parent instanceof Child child) {
        System.out.println("Child 인스턴스 맞음");
        child.childMethod();
      }
      




11. 다형성2

다형성 활용

  package poly.ex2;

  public class Animal {
    public void sound() {
      System.out.println("동물 울음 소리");
    }
  }
  package poly.ex2; 

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

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

  public class Cow extends Animal {
    @Override
    public void sound() {
      System.out.println("음매");
    }
  }
  package poly.ex2;

  public class AnimalPolyMain1 {
    public static void main(String[] args) {
      Dog dog = new Dog();
      Cat cat = new Cat();
      Cow cow = new Cow();

      soundAnimal(dog);
      soundAnimal(cat);
      soundAnimal(cow);

    }

    public static void soundAnimal(Animal animal) {
      System.out.println("동물 소리 테스트 시작");
      animal.sound();
      System.out.println("동물 소리 테스트 종료");
    }
  } 
  • soundAnimal(Animal animal)
    image
    • soundAnimal(dog) 호출 시, Animal animal = dog로 Dog 인스턴스가 전달된다.
    • (디형적 참조) Animal은 부모타입이고 Dog, Cat, Cow는 자식타입이다. 부모는 자식을 담을 수 있다.
    • animal.sound() 메서드 호출 시, 호출자와 동일한 Animal 클래스에 먼저 접근하여 sound() 메서드를 실행한다.
    • Dog 클래스에서 sound()메서드를 오버라이딩하였기 때문에 “멍멍”이 출력된다.

다형성 활용 (배열과 for문 사용)

  • 위의 코드를 배열과 for문을 사용하여 중복을 제거한다.
    package poly.ex2;
    
    public class AnimalPolyMain2 {
      public static void main(String[] args) {
        Dog dog = new Dog();
        Cat cat = new Cat();
        Cow cow = new Cow();
        Animal[] animalArr = {dog, cat, cow};
    
        for (Animal animal : animalArr) {
          soundAnimal(animal);
        }
      }
    }
    
    • 배열은 같은 타입의 데이터를 나열할 수 있다.
      • Animal[] animalArr = {new Dog(), new Cat(), new Cow()}도 가능하다.
    • for문을 사용해서 soundAnimal(anima)메서드를 반복 호출하면 메서드 오버라이딩에 의해 각 인스턴스의 오버라이딩 된 sound()메서드가 호출된다.

추상클래스

  • 추상 클래스 : 상속을 목적으로 부모 클래스를 제공하지만, 실체인 인스턴스가 존재하지 않는 클래스이다.
    • abstract 키워드를 사용한다.
    • 추상클래스는 다형성을 위해 존재하는 클래스(ex. Animal)의 인스턴스를 생성할 문제를 근본적으로 방지한다.
  • 추상 메서드 : 부모 클래스를 상속 받은 자식 클래스가 반드시 오버라이딩 해야 하는 메서드를 부모 클래스에 정의한 메서드이다.
    • abstract 키워드를 사용한다.
    • 메서드 바디가 없다.
    • 추상 메서드가 하나라도 있는 클래스는 추상 클래스로 선언해야 한다.
    • 추상 메서드를 오버라이딩 하지 않으면 자식 클래스도 추상 클래스가 되어야 한다.
    • 실수로 메서드를 오버라이딩 하지 않을 문제를 근본적으로 방지한다.
    package poly.ex3;
    
    public abstract class AbstractAnimal { // 추상 클래스
      public abstract void sound(); // 추상 메서드
    
      public void move() {
        System.out.println("동물이 움직입니다.");
      }
    }
    
    package poly.ex3;
    
    // Dog, Cat, Cow 하위 클래스 생성
    public class Dog extends AbstractAnimal {
      @Override
      public void sound() {
        System.out.println("멍멍");
      }
    }
    
    package poly.ex3;
    
    public class AbstractMain {
      public static void main(String[] args) {
    
        // 추상 클래스 생성 불가
        AbstractAnimal animal = new AbstractAnimal(); 
    
        Dog dog = new Dog();
        Cat cat = new Cat();
        Cow cow = new Cow();
    
        cat.sound();
        cat.move();
    
        soundAnimal(cat);
        soundAnimal(dog);
        soundAnimal(cow);
      }
    
      private static void soundAnimal(AbstractAnimal animal) {
        System.out.println("동물 소리 테스트 시작");
        animal.sound();
        System.out.println("동물 소리 테스트 종료");
      }
    }
    


순수 추상 클래스

  • 모든 메서드가 추상 메서드인 클래스이다.
    public abstract class AbstractAnimal {
      public abstract void sound();
      public abstract void move();
    }
    
    • 인스턴스를 생성할 수 없다.
    • 상속하는 자식 클래스는 모든 메서드를 오버라이딩 해야 한다.
    • 주로 다형성을 위해 사용된다.

인터페이스

  • 인터페이스 : 순수 추상 클래스를 더 편리하게 사용하기 위한 기능을 제공한다.
    • interface 키워드를 사용한다.
    • 인터페이스를 구현하는 클래스는 implements 키워드를 사용한다.
      • 인터페이스는 물려받을 수 있는 기능이 없어서 상속 말고 구현한다라고 표현한다.
    • 인터페이스의 모든 메서드는 public abstract이며 생략이 권장된다.
    • 인터페이스의 멤버 변수는 public static final 키워드를 모두 포함하며 생략이 권장된다.
      public interface InterfaceAnimal {
        public static final int MY_PI = 3.14; // public static final 생략 가능
      }
      


    package poly.ex5;
    
    public interface InterfaceAnimal {
      void sound();
      void move();
    }
    
    package poly.ex5;
    
    public class Dog implements InterfaceAnimal {
      @Override
      public void sound() {
        System.out.println("멍멍");
      }
    
      @Override
      public void move() {
        System.out.println("개 이동");
      }
    }
    
    public class Cat implements InterfaceAnimal {
      @Override
      public void sound() {
        System.out.println("야옹");
      }
    
      @Override
      public void move() {
        System.out.println("고양이 이동");
      }
    }
    
    public class Cow implements InterfaceAnimal {
      @Override
      public void sound() {
        System.out.println("음매");
      }
    
      @Override
      public void move() {
        System.out.println("소 이동");
      }
    }
    
    package poly.ex5;
    
    public class InterfaceMain {
      public static void main(String[] args) {
        // 인터페이스 생성 불가
        // InterfaceAnimal interfaceMain1 = new InterfaceAnimal();
        Cat cat = new Cat();
        Dog dog = new Dog();
        Cow cow = new Cow();
    
        soundAnimal(cat);
        soundAnimal(dog);
        soundAnimal(cow);
      }
    
      private static void soundAnimal(InterfaceAnimal animal) {
        System.out.println("동물 소리 테스트 시작");
        animal.sound();
        System.out.println("동물 소리 테스트 종료");
      }
    }
    


인터페이스 - 다중 구현

  • 자바는 다중 상속을 지원하지 않는다.
    • 여러 부모 클래스에 동일한 이름의 메서드가 있다면, 자식 클래스는 어떠한 부모의 메서드를 사용해야할 지에 대한 문제가 발생하기 때문이다. (다이아몬드 문제)
  • 자바는 인터페이스의 다중 구현을 허용한다.
    • 인터페이스는 모두 추상 메서드로 이루어져있다. 인터페이스를 구현하는 클래스에서는 모든 기능을 구현해야 한다.
    • 즉, 인터페이스들을 구현한 클래스에 있는 메서드를 사용하는 것이기 때문에 다이아몬드 문제가 발생하지 않는다.
      public class Child extends Parent implements InterfaceA, InterfaceB  
      {
      @Override
      ...
      }
      
    • implements 키워드 뒤에 ,로 여러 인터페이스를 구분한다.
    • extendsimplements보다 먼저 나와야 한다.

12. 다형성과 설계

다형성의 실세계 비유

  • 객체를 설계할 때 역할과 구현을 분리한다.
    • 역할 = 인터페이스
    • 구현 = 인터페이스를 구현한 클래스, 구현 객체
  • 객체 클라이언트와 객체 서버는 서로 요청과 응답이라는 협력 관계를 가진다.
  • 다형성으로 인터페이스를 구현한 객체를 실행 시점에서 유연하게 변경할 수 있다.
    • 오버라이딩
    • 클라이언트를 변경하지 않고 서버의 구현 기능을 변경한다.
  • 한계 : 역할(인터페이스)가 변하면, 클라이언트와 서버 모두에 큰 변경이 발생한다.
    • 인터페이스를 안정적으로 잘 설계하는 것이 중요하다.

다형성 - 역할과 구현 예제

  • Driver : 클라이언트
    • Driver 클래스는 Car car을 멤버 변수를 가진다.
    • DriverCar 인터페이스에만 의존하고 구현(K3Car, Model3Car에는 의존하지 않는다.
    package poly.car1;
    
    public interface Car {
      void startEngine();
      void offEngine();
      void pressAccelerator();
    }
    
    package poly.car1;
    
    public class K3Car implements Car {
      @Override 
      public void startEngine() {
        System.out.println("K3Car.startEngine");
      }
    
      @Override
      public void offEngine() {
        System.out.println("K3Car.offEngine");
      }
    
      @Override
      public void pressAccelerator() {
        System.out.println("K3Car.pressAccelerator");
      }
    }
    
    package poly.car1;
    
    public class Model3Car implements Car {
      @Override
      public void startEngine() {
        System.out.println("Model3Car.startEngine");
      }
    
      @Override
      public void offEngine() {
        System.out.println("Model3Car.offEngine");
      }
    
      @Override
      public void pressAccelerator() {
        System.out.println("Model3Car.pressAccelerator");
      }
    }
    
    package poly.car1;
    
    public class Driver {
      private Car car // 멤버 변수로 Car car을 가진다.
    
      public void setCar(Car car) { // 멤버 변수에 자동차를 설정한다. 
        System.out.println("자동차를 설정합니다: " + car);
        this.car = car; 
      }
    
      public void drive() { 
        System.out.println("자동차를 운전합니다.");
        car.startEngine();
        car.pressAccelerator();
      }
    }
    
    package poly.car1;
    
    public class CarMain1 {
      public static void main(String[] args) {
        Driver driver = new Driver();
    
        //차량 선택 (k3)
        Car k3Car = new K3Car();
        driver.setCar(k3Car);
        driver.drive();
    
        // 차량 변경 (model)
        Car model3Car = new Model3Car();
        driver.setCar(model3Car);
        driver.drive();
      }
    }
    

    실행결과

    자동차를 설정합니다: poly.car.K3Car@24d46ca6 
    자동차를 운전합니다.
    K3Car.startEngine K3Car.pressAccelerator
    K3Car.offEngine
    
    자동차를 설정합니다: poly.car.Model3Car@372f7a8d 
    자동차를 운전합니다.
    Model3Car.startEngine Model3Car.pressAccelerator Model3Car.offEngine
    
    image
  • K3Car를 생성한다
    • driver.setCar(k3Car)을 호출해서 K3Car의 인스턴스를 참조한다.
    • driver.drive() 호출 시 x001을 참조한다.
    • 호출자 타입인 car을 찾아서 실행하지만, 메서드 오버라이딩된 K3Car의 기능이 호출된다.
  • Model3Car를 생성한다.
    • driver.setCar(model3Car)를 호출해서 Model3Car의 인스턴스를 참조하도록 한다.
    • driver.drive() 호출 시 x002을 참조한다.
    • 위와 동일하게 호출자 타입과 동일한 car을 찾아서 실행하지만, 메서드 오버라이딩된 Model3Car의 기능이 호출된다.

OCP(Open-Closed Principle) 원칙

  • OCP 원칙 : 객체 지향 설계 원칙 중 하나.
    • Open for extension : 새로운 기능의 추가나 변경 사항이 생겼을 때, 기존 코드를 확장할 수 있어야 한다.
    • Closed for modification : 기존의 코드는 수정되지 않아야 한다.
    • 즉, 기존 코드의 수정 없이 새로운 기능을 추가할 수 있어야 한다.
  • 새로운 차량을 추가해도 Driver의 코드는 변경되지 않는다. main() 일부를 제외한 프로그램의 핵심 코드는 전혀 수정되지 않아도 된다.
    • 기능 추가 : Car 인터페이스를 사용해서 새로운 차량을 자유롭게 추가할 수 있다.
    • 확장 가능 : 클라이언트인 DriverCar 인터페이스를 통해 추가된 차량을 자유롭게 호출 가능하다.
    • 새로운 차를 생성하고, Driver에게 차를 전달해주는 역할인 main()은 코드 수정이 발생하지만, 핵심 코드는 그대로 유지된다.


김영한의 실전 자바 기본편을 참고하였습니다

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