[Inheritance] Virtual Table

 

 

Virtual Function과 Virtual Table(vtable)의 동작 원리 정리

이번 시간에는 C++에서 Dynamic Polymorphism(동적 다형성)을 구현하는 핵심 기술인 Virtual Function과 Virtual Table(vtable)의 동작 원리에 대해 알아보았습니다.

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1. Virtual Function 사용 시 객체 크기의 변화

기본적인 상속 구조에서는 클래스가 가진 멤버 변수의 크기만큼 객체 크기가 결정됩니다.

예를 들어:

class Animal
{
    double height;
};

class Cat : public Animal
{
    double weight;
};

이라면:

• Animal
  • double 1개 → 8Byte
• Cat
  • Animal의 height
  • Cat의 weight
  • double 2개 → 16Byte

가 됩니다.

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하지만 Virtual Function을 추가하면 객체 크기가 증가합니다.

virtual void Speak();

를 추가하면:

• Animal: 8Byte → 16Byte
• Cat: 16Byte → 24Byte

로 증가합니다.

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증가하는 이유: vptr 추가

Virtual Function을 사용하면 컴파일러는 객체 내부에 추가적인 포인터 정보를 삽입합니다.

이 포인터를:

vptr (Virtual Pointer)

이라고 합니다.

64bit 시스템에서는 포인터 크기가:

8Byte

이므로 객체마다 8Byte가 추가됩니다.

결과:

Animal

데이터크기

vptr	8Byte
height	8Byte
합계	16Byte

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Cat

데이터크기

vptr	8Byte
height	8Byte
weight	8Byte
합계	24Byte

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2. Virtual Table(vtable)의 구조

vptr은 특정 테이블을 가리키는데, 이것이:

Virtual Table(vtable)

입니다.

클래스마다 각각의 vtable이 생성됩니다.

예:

Animal vtable
----------------
Animal::Speak()
Animal::~Animal()


Cat vtable
----------------
Cat::Speak()
Cat::~Cat()

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즉:

• Animal 객체 → Animal vtable 가리킴
• Cat 객체 → Cat vtable 가리킴

이라는 구조가 됩니다.

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3. Dynamic Polymorphism 동작 과정

다음 코드를 생각해 볼 수 있습니다.

Animal* ptr = new Cat();

ptr->Speak();

겉으로 보면:

• 포인터 타입: Animal*
• 생성된 객체: Cat

입니다.

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메모리 구조:

Stack

ptr
 |
 |
 v

Heap

+----------------+
| vptr ----------|-----> Cat vtable
| height         |
| weight         |
+----------------+

---

ptr->Speak() 호출 과정:

1단계

포인터가 가리키는 객체 확인

ptr → Cat 객체

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2단계

객체 내부의 vptr 확인

vptr → Cat vtable

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3단계

vtable에서 함수 주소 확인

Cat vtable
 |
 └── Cat::Speak()

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4단계

Cat의 Speak 실행

출력:

Meow

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즉 함수 호출이 컴파일 시간에 결정되는 것이 아니라:

실행 시간(Runtime)에 실제 객체 타입을 확인하고 호출할 함수를 결정

하게 됩니다.

이것이 Dynamic Polymorphism입니다.

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4. Animal 객체를 생성하는 경우

만약:

Animal* ptr = new Animal();

이라면:

ptr
 |
 v

Animal 객체

vptr → Animal vtable

구조가 됩니다.

따라서:

ptr->Speak();

호출 시:

Animal::Speak()

가 실행됩니다.

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5. Virtual Destructor와 vtable

이전 시간에서:

Base 클래스의 Destructor는 virtual로 선언해야 한다

라고 배웠습니다.

이유는 Destructor 역시 Virtual Function이기 때문입니다.

예:

virtual ~Animal();

을 추가하면:

Animal vtable:

Animal vtable
----------------
Animal::Speak()
Animal::~Animal()

Cat vtable:

Cat vtable
----------------
Cat::Speak()
Cat::~Cat()

형태가 됩니다.

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따라서:

Animal* ptr = new Cat();

delete ptr;

를 실행하면:

1. Cat Destructor 호출
2. Animal Destructor 호출

순서로 정상적으로 객체가 제거됩니다.

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핵심 정리

개념설명

Virtual Function	런타임 함수 선택을 가능하게 하는 함수
vptr	객체 내부에 추가되는 Virtual Table 포인터
vtable	Virtual 함수 주소를 저장하는 테이블
Dynamic Polymorphism	실행 중 실제 객체 타입에 따라 함수 호출
Virtual Destructor	Base 포인터로 Derived 객체 삭제 시 필수

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전체 동작 흐름

Animal* ptr = new Cat();

        ptr
         |
         v

     Cat Object
     +-------------+
     | vptr        |
     | height      |
     | weight      |
     +-------------+
         |
         v

     Cat vtable
     +-------------+
     | Cat::Speak  |
     | Cat::~Cat   |
     +-------------+

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결론적으로 C++의 Dynamic Polymorphism은 마법처럼 동작하는 것이 아니라,

1. 객체 내부의 vptr
2. 클래스별 vtable
3. vtable 안의 함수 주소

를 이용해서 런타임에 호출할 함수를 결정하는 구조입니다.

이 원리를 이해하면 이후에 배우게 되는 Object Slicing, Dynamic Cast, Multiple Inheritance, ABI 구조 등의 고급 C++ 개념을 이해하는 기반이 됩니다.