JAVA - 16. 상속

상속의 기본문법 이해

상속의 적절한 활용 방법은 한두 문자로 가볍게 설명할 수 있는 내용이 아니다. 그리고 이에 대한 설명을 듣기에 앞서 상속에 대한 문법적인 이해가 선행되어야 한다.

상속이란?

상속의 이유와 목적을 물어보면

• 상속은 코드의 재활용를 위한 문법입니다.

그러나 이는 정확한 표현은 아니다.

• 연관된 일련의 클래스들에 대해 공통적인 규약을 정의할 수 있다.

위의 답변은 매우 모범적인 답변이다.

상속의 가장 기본적인 특성

상속을 단순하게 설명하면 , 기존에 정의된 클래스에 메소드와 변수를 추가하여 새로운 클래스를 정의하는 것이 상속이다. 예를 들어서 다음의 클래스가 정의되어 있다고 가정해보자.

class Animal{
    String name;
    
    Animal(String name){
        this.name = name;
    }
    
    public void name() {
        System.out.println("이 동물의 이름은 "+name+"입니다.");
    }
}

이때 위의 클래스를 상속하여 다음과 같이 새로운 클래스를 정의 할 수 있다.

class Cat extends Animal{
    String cry;
    
    Cat(String name , String cry){
        super(name);//부모의 String타입의 매개변수를 받는 생성자 호출(super는 이후에 배우게 된다.)
        this.cry = cry;
    }
    
    public void info() {
        name();//Animal 클래스를 상속했기 때문에 호출 가능
        System.out.println("울음소리는 "+cry);
    }
}

위 예제를 보면 새로운 super 키워드가 등장한 것을 알 수 있다. 이건 나중에 더 자세히 다루어보겠다.

클래스 변수와 클래스 메소드의 상속이 가능한가?

static 선언이 붙는 클래스 변수와 클래스 메소드도 상속의 대상에 포함이 되겠는가?

static 선언이 갖는 의미를 떠올리고 논리적으로 접근을 하면 이 질문에 스스로 답을 할 수 있다.

앞서 공부한 클래스 변수와 클래스 메소드의 특징을 정리하면 다음과 같다.

• 인스턴스의 생성과 상관없이 접근이 가능하다.
• 클래스 내부와 외부에서 접근이 가능하다.
• 클래스 변수와 클래스 메소드가 위치한 클래스 내에서는 직접 접근이 가능하다.

즉 클래스 변수와 클래스 메소드는 인스턴스에 속하지 않는, 딱 하나만 존재하는 변수와 메소드이다. 따라서 상속의 대상이 아니다.

그렇다면 다음 내용에 대해서는 생각을 해볼 필요가 있다.

• 상위 클래스에 위치한 클래스 변수와 메소드에 하위 클래스에서 어떻게 접근하는가?

결론을 말하자면 변수의 이름만으로 접근이 가능하다. 단 접근 수준 지시자가 접근을 허용해야 접근이 가능하다. 다음 예제를 통해 알아보자.

public class Example{
    public static void main(String[] args) {

        SuperClass sc1 = new SuperClass(); // 값 1 증가
        SuperClass sc2 = new SuperClass(); // 값 1 증가
        
        SubClass sub1 = new SubClass();//인스턴스 생성 과정에서 부모생성자가 호출 되므로 count 값 1 증가
        sub1.showCount();
    }
}

class SuperClass{
    protected static int count = 0; //protected는 하위 클래스 접근을 허용
    
    public SuperClass() {
        count++;
    }
}

class SubClass extends SuperClass{
    public void showCount() {
        System.out.println(count);
    }
}

위의 예제에서 변수 count의 접근 수준 지시자를 private으로 선언하면 이로 인해 컴파일 오류가 발생하는 것도 확인하기 바란다.

IS - A

두 클래스를 상속의 관계로 맺는 것이 도움이 되는 상황이 있고 도움이 되지 않는 상황이 있다. 그렇다면 언제 두 클래스를 상속의 관계로 맺어야 할까?

기본적으로 IS-A 관계라는 것이 성립해야 상속의 후보로 고려할 수 있다.

상속이 갖는 문법적 특성을 통해서 상위 클래스와 하위 클래스를 다음과 같이 이야기할 수 있다.

• 하위 클래스는 상위 클래스의 모든 특성을 지닌다.
• 거기에 더하여 하위 클래스는 자신만의 추가적인 특성을 더하게 된다.

이러한 상속의 특성을 현실 세계에서도 찾아볼 수 있다. 대표적인 예가 다음과 같다.

• 모바일폰 vs 스마트폰

모바일폰이 상위 클래스라면 스마트폰은 하위 클래스이다. 즉 이 둘을 객체지향의 관점에서 보면 다음과 같이 이야기할 수 있다.

• 모바일폰을 스마트폰이 상속한다.

스마트폰은 모바일폰이 갖는 특성을 모두 갖는다. 게다가 스마트폰은 앱의 설치 및 실행 등 컴퓨터의 특성을 추가적으로 갖고 있다. 따라서 클래스를 설계한다면 다음과 같은 설계가 논리적으로 타당하다.

• class 스마트폰 extends 모바일폰 {...}

그런데 우리는 스마트폰도 모바일폰의 한 종류라 말한다. 즉 컴퓨터의 기능이 추가된 모바일폰이 스마트 폰인 것이다. 따라서 다음과 같이 이야기할 수 있다.

• 스마트폰도 모바일폰이다.
• 스마트폰은 일종의 모바일폰이다.

그리고 위의 문장들이 나타나는 관계를 가리켜 IS-A 관계라 하고, 이것이 상속의 관계를 맺기 위한 두 클래스의 기본 조건이 된다. 참고로 is a는 ~은 ~ 이다. 로해석 된다. 예를 들면 다음과 같다.

• Life is a journey - 인생은 여행이다.

지금까지 설명한 내용을 정리하면 다음과 같다.

IS-A 관계 총 정리

• IS - A 관계는 ~은 ~이다. 로 표현되는 관계이다.
• 상속이 갖는 문법적 특성은 IS - A 관계의 표현에 적합하다.
• 따라서 상속 관계를 형성하기 위한 두 클래스는 IS -A 관계에 있어야 한다.

IS-A 관계 예제

관련된 예제를 github에 올려두었다.

• IS - A 예제

상위 클래스의 참조변수가 참조할 수 있는 대상의 범위

class Sartphone extends MobilePhone {...}

따라서 다음과 같이 문장을 구성할 수 있다.

SmartPhone phone = new SmartPhone("010-555-777", "Nougat");

그런데 다음과 같이 MobilePhone형 참조변수가 SmartPhone 인스턴스를 참조하게 할 수도 있다.

MobilePhone phone = new SmartPhone("010-555-777", "Nougat");

이렇듯 상위 클래스의 참조변수는 하위 클래스의 인스턴스를 참조할 수 있는데, 이 부분을 다음과 같이 이해하자.

• 모바일폰을 상속하는 스마트폰도 일종의 모바일폰이다.
  • Mobilephone을 상속하는 SmartPhone 인스턴스는 MobilePhone 인스턴스이기도 하다.
• 따라서 MobilePhone형 참조변수는 SmartPhone 인스턴스를 참조할 수 있다.

다음과 같이 상속 관계가 형성이 되면

class Sartphone extends MobilePhone {...}

다음 인스턴스는 Smartphone 인스턴스인 동시에 MobilePhone 인스턴스가 된다 (이는 스마트폰을 가리키며 모바일폰이다. 라고 말할 수 있는 것과 이치가 같다.)

new SmartPhone("010-555-666","Nougat");
//스마트폰 인스턴스이면서 동시에 모바일폰 인스턴스

따라서 위에 말한것처럼

SmartPhone phone = new SmartPhone("010-555-777", "Nougat");
MobilePhone phone = new SmartPhone("010-555-777", "Nougat");

SmartPhone 인스턴스를 참조하는 변수를 선언하는 두 가지 방법이 가능하다.

지금까지 설명한 것을 예제를 통해 알아보자

//Overriding_Exam01.class 

class MobilePhone{
    protected String number;// 전화번호
    
    public MobilePhone(String number) {
        this.number  = number;
    }
    
    public void answers() {
        System.out.println("Hi ~ from " + number);
    }
}

//모바일폰을 상속받는 하위클래스 스마트폰
class SmartPhone extends MobilePhone{
    private String androidVer;// 안드로이드 운영체제 네임(버전)

    public SmartPhone(String number, String ver) {
        super(number);
        this.androidVer = ver;
    }
    public void playApp() {
        System.out.println("App is running in " + androidVer);
    }
}
class OverridingTest{
    public static void main(String[] args) {
        SmartPhone ph1 = new SmartPhone("010-111-222", "Andro01");
        MobilePhone ph2 = new SmartPhone("010-444-333", "Andro02");
        
        ph1.answers();
        ph1.playApp();
        
        ph2.answers();
        //ph2.playApp();
    }
}

위 예제에서는 다음과 같이 인스턴스를 생성하였다.

MobilePhone phone = new SmartPhone("010-555-777", "Nougat");

그리고 다음과 같이 mobilePhone 클래스에 정의된 메소드를 호출하는데 이는 당연히 가능한 일이다.

ph2.answer();

그러나 다음과 같이 SmartPhone 클래스에 정의된 메소드의 호출은 불가능하다. 참조변수 ph2가 실제 참조 하는 인스턴스가 SmartPhone 인스턴스이지만 불가능하다.

ph2.playApp(); // 스마트폰 클래스에서 정의한 메소드

참조변수 ph2는 MobilePhone형 참조변수이다. 이러한 경우 ph2를 통해서 접근이 가능한 멤버는 MobilePhone 클래스에 정의되었거나 이 클래스가 상속하는 클래스의 멤버로 제한된다.(ph2가 참조하는 인스턴스가 무엇인지는 상관이 없다)

지금 설명한 이 내용이 비합리적이라고 생각할 수 있다. 참조변수의 형에 상관없이, 참조하는 인스턴스에 따라서 접근가능한 멤버가 결정되어야 한다고 생각할 수 있다. 그러나 그렇게 설계하지 않은 이유가 두 가지 있는데 그중 하나는 다음과 같다.

• 실행 시간을 늦추는 결과로 이어질 수 있습니다

자바는 메소드 호출 시 참조변수의 형을 참조 하여 그 메소드 호출이 옳은 것인지 판단한다.예를 들면 다음과 같다.(다음과 같이 컴파일러가 판단하고 컴파일을 한다)

ph2.answer();
//ph2가 MobilePhone형이므로 MobilePhone 클래스의 메소드 answer은 호출가능하다.

이러한 형태의 판단은 그 속도가 빠르다.(컴파일 단계에서 쉽게 판단 가능하다) 그러나 실제 참조하는 인스턴스를 대상으로 메소드의 호출 가능성을 판단하는 일은 간단하지 않다. 참조하는 인스턴스의 종류는 코드의 흐름에 따라 얼마든지 달라질 수 있기 때문이다.

그런데 이러한 단점도 감수할 만한 가치가 있다면 감수했을 것이다. 그러나 이어서 언급하는 두 번째 이유는 이러한 단점을 감수할 필요가 없다는 결론을 내리게 한다.

• 참조변수의 타입을 기준으로 접근 가능한 멤버를 제한하는 것은 코드를 단순하게 한다.

단점이 많은 일부 기능을 제한함으로써 단순하고 명료한 코드의 작성을 유도하는 언어가 좋은 언어이다. 그런 측면에서 참조변수의 타입을 기준으로 접근 가능한 멤버를 제한한 것은 의미가 있는 일이다.

업캐스팅(Up Casting)

업캐스팅이란 서브 클래스의 객체가 수퍼 클래스 타입으로 형변환되는 것을 말한다.

다음과 같이 상속 관계를 맺은 세 클래스가 존재한다고 가정하자.

class Cake{
    public void sweet(){...}
}

class CheeseCake extends Cake{
    public void milky(){...}
}

class StrawberryCheeseCake extends CheeseCake{
    public void sour(){...}
}

이때 StrawberryCheeseCake 인스턴스는 다음과 같이 말할 수 있다.

• StrawberryCheeseCake 인스턴스는 CheeseCake 인스턴스이면서 Cake 인스턴스 이다.

따라서 다음과 같이 인스턴스를 참조할 수 있다.

Cake cake1 = new StrawberryCheeseCake();//업캐스팅
CheeseCake cake2 = new StrawberryCheeseCake();//업캐스팅

그러나 Cake형 참조변수 cake1을 통해서 호출할 수 있는 메소드는 다음 한 가지이다.

cake1.sweet();
//Cake에 정의된 메소드 호출

그리고 CheeseCake형 참조변수 cake2를 통해서 호출할 수 있는 메소드는 다음 두 가지이다.

cake2.sweet();
//Cake에 정의된 메소드 호출
cake2.milky();
//CheeseCake에 정의된 메소드 호출

이렇듯 참조변수가 참조하는 인스턴스의 종류에 상관없이, 참조변수의 타입에 해당하는 클래스와 그 클래스가 상속하는 상위 클래스에 정의된 메소드들만 호출이 가능하다.