[C++] 클래스(1) - 클래스란 무엇인가?

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모든 테스트는 visual studio 22 (v143) 으로 진행했습니다.

개요

c++의 class의 정의와 클래스의 특징에 대해서 설명한다.

class란?

정의

class란 프로그래머가 class, struct, union 중 하나로 선언한 접근을 제한할 수 있는 변수( member variables )와 함수( member function ) 모음을 말한다.

선언

구조

[template-spec]
[class-key] [decl-spec] [tag [: base-list ]]
{
   member-list
} [declarators];
[ class-key ] tag declarators;

template-spec
template spec을 정의한다.

class-key
class, struct 을 사용한다.

decl-spec
class를 어떻게 정의할지에 대한 옵션이다.
_declspec

tag
class의 이름이다.

base-list
부모 클래스들이다. public, protected, private의 접근 제어자와 virtual 키워드를 사용할 수 있다.
추후 상속 포스팅으로 자세한 설명을 할 예정이다.

member-list
class member들을 정의한다.

declarators
개체들의 이름을 정의한다.

member-list

special function
자동으로 생성해주는 함수들이다. 종류로는 default constructor, destructor, copy constructor, copy assign operator, move constructor, move assign operator 이렇게 6개가 있다.
member function
static function, member function 두 가지로 나뉜다.
data members
static data, member data 두 가지로 나뉜다. 데이터 정의하듯 사용한다.
nested class
class 내부적으로 class를 다시 정의할 수 있다. :: 접근자를 통해서 접근가능하다.
```
 class A {
 public:
     class B {
            
     };
 };

 A::B b;
```

예시

class Base {};

template<typename T>
class alignas(16) ClassName final : public Base{
// special functions...
private:
    class Nested {};
public:
    static void StaticFunc() {};
    void MemberFunc() {};
private:
    T mTemplate;
    Nested mNested;
    int mI;
    static int mStaticI;
};

멤버 접근 제어

friend

friend 키워드는 클래스 멤버가 아닌데 클래스 멤버 수준의 접근 권한을 줄 때 사용한다. 모든 멤버에게 줄 수도 있고, 특정 멤버에게만 줄 수도 있다.

좀 더 사람적으로 생각한다면 너는 내 친구니깐 내 모든 걸 보여줄게 하는 것이라고 생각하면 이해가 쉬울 것 같다. 하지만 친구는 나를 친구라고 생각 안 할 수 있다.( ㅠㅠ )

/* ---------- class friend ------------ */
class Me {
    friend Friend;
private:
    int secret;
};

class Friend {
public:
    int GetSecret(Me& me) {
        return me.secret;
    }
private:
    int secret;
};

int Me::GetSecret(Friend& f) {
    return f.secret; // error: C2248
}

/* ----------- function friend ------------ */
class B;
class A {
public:
    int Func1(B& b);

private:
    int Func2(B& b);
};

class B {
private:
    int _b;

    // A::Func1 is a friend function to class B
    friend int A::Func1(B&);
};

int A::Func1(B& b) { return b._b; }   // OK
int A::Func2(B& b) { return b._b; }   // C2248

위 코드에서 Func1 을 class B 밑에 정의한 이유는 class A를 선언할 때 B의 정보를 모르고 있기 때문에 _b 에 접근할 수 없어서이다. 전방선언( forward declaration )을 찾아보자.

friend 는 그 class에만 적용된다. 자식이나 부모와는 관련이 없다. ( 내 친구에게만 보여준 비밀인데 자식이나 부모가 알고 있다면 슬플 것 같다. )

class Parent {
public:
    int GetSecret(Me& me) {
        return me.secret; // error: C2248
    }
};

class Friend : public Parent {
public:
    int GetSecret(Me& me) {
        return me.secret;
    }
};

class FriendChild : public Friend {
public:
    int GetSecret(Me& me) {
        return me.secret; // error: C2248
    }
};

private

클래스 멤버 함수와 friend class 말고는 접근이 불가능하게 하는 제어자이다. 자식도 접근이 불가능하다.

class A {
public:
    int GetSecret() {
        secret; // ok
    }
private:
    int secret;
};

class B : A {
private:
    int GetParentSecret() {
        secret; // error
    }
};

protected

클래스 멤버 함수, firend class, 직접 상속 받은 class의 멤버 함수들이 접근가능하게 한다.

class A {
public:
    int GetSecret() {
        secret; // ok
    }
protected:
    int secret;
};

class B : public A {
private:
    int GetParentSecret() {
        secret; // ok
    }
};

public

어떤 function에서도 접근이 가능하게 해준다.

class A {
public:
    int secret;
};

int main() {
    A a;
    a.secret; // ok
    return 0;
}

메모리 레이아웃

class의 메모리 레이아웃은 컴파일러마다 다르게 구현되어있다. visual studio (v143) 컴파일러 기준으로 설명하도록 하겠다.

align

class의 메모리는 하나의 메모리의 가장 큰 변수를 기준으로 align 된다. 변수마다 align 할 크기의 메모리 중 남는 곳에 다 담을 수 있으면 담고 아니면 넘긴다.

아래는 예시이다.

class Test {
public:
    int a;
    double b;
    float f;
    char c;
    void Func() {}
    static int s;
};

가장 큰 값은 double로 8byte이다.
int a 가 4byte를 채워서 남은 크기는 4byte이다.
double은 8byte이므로 다음 align 으로 넘겨서 채운다.
float f 가 4byte로 채우고 남는 4byte에 char 가 들어갈 수 있으므로 5btye만큼 채워진다.
남은 3byte는 사용하지 않는다.
총 메모리 크기는 24byte이다.

Test-Memory-Layout

다른 예시다.

class Test2 {
public:
    char c[4];
    void Func() {}
    static int s;
};

가장 큰 값은 char로 1byte이다.
c[4]로 4개가 하나씩 들어간다.
총 크기는 4byte이다.

Test2-Memory-Layout

align 옵션을 넣어서 몇바이트로 align 하겠다고 컴파일러에게 알려줄 수도 있다. ( 이는 성능상 문제가 있을 수 있으므로 조심해야한다. )

class alignas(2) Test2 {
public:
    char c[4];
    void Func() {}
    static int s;
};

가장 큰 값은 char로 1byte지만 2byte로 align 한다고 했으므로 2byte로 align 한다.
c[4] 가 2 / 2 쪼개져서 들어간다.
총 크기는 4byte이다.

Test2-Memory-Layout-align

함수 / static 변수

고민

함수랑 static 변수는 어디갔을까?

앞의 예제들에는 전부 void Func() {} 함수와 static int s; 가 존재하는데 메모리 레이아웃에서는 눈 씻고 찾아봐도 보이지 않는다.

멤버함수

멤버함수는 개체마다 존재하는 것이 아니라 일반 함수에서 this를 숨겨진 매개변수로 받는 함수이다. ( python class 맴버함수를 생각하면 이해가 편할 것이다 )

즉, 멤버함수도 결국 프로그램 전체에서 하나만 존재하고, code 영역에 존재하게 된다. 그래서 실제로는 함수는 class 안에 메모리로 존재하지 않는다.

이는 static 함수도 동일하게 적용된다.

static 변수

static 변수는 class 마다 하나만 존재하는 변수이다. 개체가 가질 수 있는 변수가 아니다.

즉, static 변수는 class 메모리 레이아웃에는 존재하지 않고 data 영역에 존재하게 된다.

vptr

class에는 가상함수를 위한 vtable을 가리키는 메모리가 있다. 가상함수를 사용하면 포인터 크기만큼 추가된다.

empty

비어있는 class의 크기는 0byte일까?

아니다. class의 크기가 0이면 존재하는 것이 아니게 되므로 1byte의 크기를 할당해준다.

class Empty {};

void Test() {
    Empty t;
    cout << sizeof(t) << endl; // print 1
}

class vs struct

class와 struct는 본질적으로( 어셈블러 단에서 ) 차이가 전혀 없다. 하지만 단 한가지 다른 것은 기본 접근제어자가 class는 private, struct는 public 이라는 것이다.

하지만 일반적으로 c++ convention에서는 class와 struct를 구분하기 위해서 변수만 저장하고 있는 class만 struct로 사용한다.

예제

struct Point {
    int x, y; // public
};

class CPoint {
public:
    void SetPoint(int x, int y) {
        this->x = x;
        this->y = y;
    }
private:
    int x, y;
};

value-category 위의 사진에서 볼 수 있듯 class와 struct가 메모리 레이아웃에서 차이가 없는 것을 확인할 수 있다.

결론

class의 정의부터 사용법, 접근제어, 메모리 레이아웃, struct와의 차이까지 알아봤다.

class를 사용할 때 실제로 어떻게 작동하는지 알고 코딩하는 것은 중요할 것이다.

출처

Microsoft Learn - Classes
cpp reference - Classes
Wiki - classes
google cpp coding convention
Microsoft Learn - Class Member Overview
Microsoft Learn - friend
Microsoft Learn - private
Microsoft Learn - protected
Microsoft Learn - public
Microsoft Leanr - class and struct

Ditvee