[Java] 자바 다형성 - 타입 변환 확인, 추상클래스, 인터페이스, 내부클래스

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[Java] 자바 다형성 - 타입 변환 확인, 추상클래스, 인터페이스, 내부클래스

재은초 2024. 4. 11. 11:06

다형성(polymorphism)이란?

다형성(polymorphism)이란 하나의 객체가 여러 가지 타입을 가질 수 있는 것을 의미한다.
자바에서는 다형성을 위해 부모 클래스 타입의 참조 변수로 자식 클래스 타입의 인스턴스를 참조할 수 있도록 하고 있다. 이때 참조 변수가 사용할 수 있는 멤버의 개수가 실제 인스턴스의 멤버 개수보다 같거나 적어야 참조할 수 있다.
다형성은 상속, 추상화와 더불어 객체 지향 프로그래밍을 구성하는 중요한 특징 중 하나다.

참조 변수의 다형성

특정 타입의 참조 변수로는 당연히 같은 타입의 인스턴스를 참조할 수 있다. 참조 변수가 사용할 수 있는 멤버의 개수가 실제 인스턴스의 멤버 개수와 같기 때문이다.
부모 클래스 타입의 참조 변수로도 자식 클래스 타입의 인스턴스를 참조할 수 있다. 참조 변수가 사용할 수 있는 멤버의 개수가 실제 인스턴스의 멤버 개수보다 적기 때문이다.
반대의 경우인 자식 클래스 타입의 참조 변수로는 부모 클래스 타입의 인스턴스를 참조할 수 없다. 참조 변수가 사용할 수 있는 멤버의 개수가 실제 인스턴스의 멤버 개수보다 많기 때문이다.
클래스는 상속을 통해 확장될 수는 있어도 축소될 수는 없으므로, 자식 클래스에서 사용할 수 있는 멤버의 개수가 언제나 부모 클래스와 같거나 많게 된다.

class Parent { ... }
class Child extends Parent { ... }
...
Parent pa = new Parent(); // 허용
Child ch = new Child();   // 허용
Parent pc = new Child();  // 허용
Child cp = new Parent();  // 오류 발생

참조 변수의 타입 변환

자바에서는 참조 변수도 다음과 같은 조건에 따라 타입 변환을 할 수 있다.
- 서로 상속 관계에 있는 클래스 사이에만 타입 변환을 할 수 있다.
- 자식 클래스 타입에서 부모 클래스 타입으로의 타입 변환은 생략할 수 있다.
- 하지만 부모 클래스 타입에서 자식 클래스 타입으로의 타입 변환은 반드시 명시해야 한다.
참조 변수의 타입 변환도 기본 타입의 타입 변환과 마찬가지로 타입 캐스트 연산자(())를 사용한다.

(변환할타입의클래스이름) 변환할참조변수

class Parent { ... }
class Child extends Parent { ... }
class Brother extends Parent { ... }
...
Parent pa01 = null;
Parent pa02 = new Parent();
Child ch = new Child();
Brother br = null;

pa01 = ch;          // pa01 = (Parent)ch; 와 같으며 타입 변환을 생략할 수 있음
br = (Brother)pa02; // 타입 변환을 생략할 수 없음
br = (Brother)ch;   // 직접적인 상속 관계가 아니므로 오류 발생

instanceof 연산자

instanceof 연산자는 참조 변수가 참조하고 있는 인스턴스의 실제 타입을 확인해 준다.
해당 객체가 어떤 클래스나 인터페이스로부터 생성되었는지를 판별해 주는 역할을 한다.
왼쪽에 전달된 참조 변수가 실제로 참조하고 있는 인스턴스의 타입이 오른쪽에 전달된 클래스 타입이면 true를 반환하고, 아니면 false를 반환한다. 만약에 참조 변수가 null을 가리키고 있으면 false를 반환한다.

참조변수 instanceof 클래스이름

class Parent { }
class Child extends Parent { }
class Brother extends Parent { }

public class Polymorphism01 {
    public static void main(String[] args) {
        Parent p = new Parent();
        System.out.println(p instanceof Object); // true
        System.out.println(p instanceof Parent); // true
        System.out.println(p instanceof Child);  // false

        Parent c = new Child();
        System.out.println(c instanceof Object); // true
        System.out.println(c instanceof Parent); // true
        System.out.println(c instanceof Child);  // true
    }
}

추상 클래스(abstract class)

자바에서는 하나 이상의 추상 메소드를 포함하는 클래스를 가리켜 추상 클래스(abstract class)라고 한다.
추상 클래스는 객체 지향 프로그래밍에서 중요한 특징인 다형성을 가지는 메소드의 집합을 정의할 수 있도록 해준다.
즉, 반드시 사용되어야 하는 메소드를 추상 클래스에 추상 메소드로 선언해 놓으면, 이 클래스를 상속받는 모든 클래스에서는 이 추상 메소드를 반드시 재정의해야 한다.
추상 클래스는 동작이 정의되어 있지 않은 추상 메소드를 포함하고 있으므로, 인스턴스를 생성할 수 없다. 추상 클래스는 먼저 상속을 통해 자식 클래스를 만들고, 만든 자식 클래스에서 추상 클래스의 모든 추상 메소드를 오버라이딩하고 나서야 비로소 자식 클래스의 인스턴스를 생성할 수 있다.
추상 클래스는 추상 메소드를 포함하고 있다는 점을 제외하면, 일반 클래스와 모든 점이 같다. 즉, 생성자와 필드, 일반 메소드도 포함할 수 있다.

abstract class 클래스이름 {
    ...
    abstract 반환타입 메소드이름();
    ...
}

abstract class Animal {                              // 추상클래스
	abstract void cry();                             // 추상메소드
}
class Cat extends Animal {
	void cry() {                                     // 추상메소드 오버라이딩
    	System.out.println("냐옹냐옹!"); 
    }
}
class Dog extends Animal {
	void cry() {
		System.out.println("멍멍!");
    }
}

public class Polymorphism02 {
    public static void main(String[] args) {
        // Animal a = new Animal();                 // 추상 클래스는 인스턴스를 생성할 수 없음
        Cat c = new Cat();
        Dog d = new Dog();

        c.cry();                                   // 냐옹냐옹!
        d.cry();                                   // 멍멍!
    }
}

추상 메소드(abstract method)

추상 메소드(abstract method)란 자식 클래스에서 반드시 오버라이딩해야만 사용할 수 있는 메소드를 의미한다.
추상 메소드는 선언부만이 존재하며, 구현부는 작성되어 있지 않다. 작성되어 있지 않은 구현부를 자식 클래스에서 오버라이딩하여 사용한다.
자바에서 추상 메소드를 선언하여 사용하는 목적은 추상 메소드가 포함된 클래스를 상속받는 자식 클래스가 반드시 추상 메소드를 구현하도록 하기 위함이다. 만약 일반 메소드로 구현한다면 사용자에 따라 해당 메소드를 구현할 수도 있고 안 할 수도 있지만, 추상 메소드가 포함된 추상 클래스를 상속받은 모든 자식 클래스는 추상 메소드를 구현해야만 인스턴스를 생성할 수 있으므로 반드시 구현하게 된다.

abstract 반환타입 메소드이름();

인터페이스(interface)란?

자식 클래스가 여러 부모 클래스를 상속받을 수 있다면, 다양한 동작을 수행할 수 있다는 장점을 가지게 될 것이다. 하지만 클래스를 이용하여 다중 상속을 할 경우 메소드 출처의 모호성 등 여러 가지 문제가 발생할 수 있어 자바에서는 클래스를 통한 다중 상속은 지원하지 않는다. 하지만 다중 상속의 이점을 버릴 수는 없기에 자바에서는 인터페이스라는 것을 통해 다중 상속을 지원하고 있다.
인터페이스(interface)란 다른 클래스를 작성할 때 기본이 되는 틀을 제공하면서, 다른 클래스 사이의 중간 매개 역할까지 담당하는 일종의 추상 클래스를 의미한다.
자바에서 추상 클래스는 추상 메소드뿐만 아니라 생성자, 필드, 일반 메소드도 포함할 수 있다. 하지만 인터페이스(interface)는 오로지 추상 메소드와 상수만을 포함할 수 있다.

인터페이스의 장점

인터페이스를 사용하면 다중 상속이 가능하다.
대규모 프로젝트 개발 시 일관되고 정형화된 개발을 위한 표준화가 가능합니다.
클래스의 작성과 인터페이스의 구현을 동시에 진행할 수 있으므로, 개발 시간을 단축할 수 있다.
클래스와 클래스 간의 관계를 인터페이스로 연결하면, 클래스마다 독립적인 프로그래밍이 가능합니다.

인터페이스의 선언

인터페이스를 선언할 때에는 접근 제어자와 함께 interface 키워드를 사용하면 된다.
단, 클래스와는 달리 인터페이스의 모든 필드는 public static final이어야 하며, 모든 메소드는 public abstract이어야 한다. 이 부분은 모든 인터페이스에 공통으로 적용되는 부분이므로 이 제어자는 생략할 수 있으며, 이렇게 생략된 제어자는 컴파일 시 자바 컴파일러가 자동으로 추가해 준다.

접근제어자 interface 인터페이스이름 {
    public static final 타입 상수이름 = 값;
    ...
    public abstract 메소드이름(매개변수목록);
    ...
}

인터페이스의 구현

인터페이스는 추상 클래스와 마찬가지로 자신이 직접 인스턴스를 생성할 수는 없다. 그래서 인터페이스가 포함하고 있는 추상 메소드를 구현해 줄 클래스를 작성해야 한다. 만약 모든 추상 메소드를 구현하지 않는다면, abstract 키워드를 사용하여 추상 클래스로 선언해야 한다.

class 클래스이름 implements 인터페이스이름 { ... }

interface Animal { public abstract void cry(); }          // 인터페이스 선언

class Cat implements Animal {                             // 인터페이스 구현
    public void cry() {                                   // 추상메소드 구현
        System.out.println("냐옹냐옹!");
    }
}

class Dog implements Animal {                             // 인터페이스 구현
    public void cry() {                                   // 추상메소드 구현
        System.out.println("멍멍!");
    }
}

public class Polymorphism03 {
    public static void main(String[] args) {
        Cat c = new Cat();
        Dog d = new Dog();

        c.cry();                                          // 냐옹냐옹!
        d.cry();                                          // 멍멍!
    }
}

자바에서는 상속과 구현을 동시에 할 수 있다.
인터페이스는 인터페이스로부터만 상속을 받을 수 있으며, 여러 인터페이스를 상속받을 수 있다.

class 클래스이름 extend 상위클래스이름 implements 인터페이스이름 { ... }

// 인터페이스를 사용한 다중 상속의 예제
interface Animal { public abstract void cry(); }
interface Pet { public abstract void play(); }
 
class Cat implements Animal, Pet {            // 두 개의 인터페이스를 동시에 구현
    public void cry() {
        System.out.println("냐옹냐옹!");
    }
    public void play() {
        System.out.println("쥐 잡기 놀이하자~!");
    }
}

class Dog implements Animal, Pet {            // 두 개의 인터페이스를 동시에 구현
    public void cry() {
        System.out.println("멍멍!");
    }
    public void play() {
        System.out.println("산책가자~!");
    }
}

public class Polymorphism04 {
    public static void main(String[] args) {
        Cat c = new Cat();
        Dog d = new Dog();

        c.cry();                              // 냐옹냐옹!
        c.play();                             // 나비야~ 쥐 잡기 놀이하자~!
        d.cry();                              // 멍멍!
        d.play();                             // 바둑아~ 산책가자~!
    }
}

클래스를 이용한 다중 상속의 문제점

클래스를 이용하여 다중 상속을 하면 메소드 출처의 모호성 등의 문제가 발생할 수 있어서 자바에서는 클래스를 이용한 다중 상속을 지원하지 않는다.

class Animal { 
    public void cry() {
        System.out.println("짖기!");
    }
}

class Cat extends Animal {
    public void cry() {
        System.out.println("냐옹냐옹!");
    }
}

class Dog extends Animal {
    public void cry() {
        System.out.println("멍멍!");
    }
}
 
class MyPet extends Cat, Dog {}              // Cat 클래스와 Dog 클래스를 동시에 상속

public class Polymorphism {
    public static void main(String[] args) {
        MyPet p = new MyPet();
        p.cry();                             // Cat 메소드인지 Dog 메소드인지 모호
    }
}

하지만 인터페이스를 이용하여 다중 상속을 하게되면 메소드 호출의 모호성을 방지할 수 있다.

interface Animal { public abstract void cry(); }               // 인터페이스 선언
interface Cat extends Animal { public abstract void cry(); }   // 인터페이스 구현
interface Dog extends Animal { public abstract void cry(); }

// Cat, Dog 인터페이스를 동시에 구현한 MyPet 클래스에서만 cry() 메소드 정의하므로 메소드 호출의 모호성 없음
class MyPet implements Cat, Dog {
    public void cry() {
        System.out.println("멍멍! 냐옹냐옹!");
    }
}

public class Polymorphism05 {
    public static void main(String[] args) {
        MyPet p = new MyPet();
        p.cry();                                               // 멍멍! 냐옹냐옹!
    }
}

내부 클래스(inner class)

내부 클래스(inner class)란 하나의 클래스 내부에 선언된 또 다른 클래스를 의미한다.
내부 클래스는 외부 클래스(outer class)에 대해 두 개의 클래스가 서로 긴밀한 관계를 맺고 있을 때 선언할 수 있다.

class Outer {     // 외부 클래스
    ...
    class Inner { // 내부 클래스
        ...
    }
    ...
}

내부 클래스의 장점

내부 클래스에서 외부 클래스의 멤버에 손쉽게 접근할 수 있다.
서로 관련 있는 클래스를 논리적으로 묶어서 표현함으로써, 코드의 캡슐화를 증가시킨다.
외부에서는 내부 클래스에 접근할 수 없으므로, 코드의 복잡성을 줄일 수 있다.

내부 클래스의 종류

정적 클래스(static class)

외부 클래스 영역에 선언된 클래스 중에서 static 키워드를 가지는 클래스를 정적 클래스(static class)라고 한다. 정적 클래스는 주로 외부 클래스(outer class)의 클래스 메소드에 사용될 목적으로 선언된다.

인스턴스 클래스(instance class)

외부 클래스 영역에 선언된 클래스 중에서 static 키워드를 가지지 않는 클래스를 인스턴스 클래스(instance class)라고 한다. 인스턴스 클래스는 주로 외부 클래스(outer class)의 인스턴스 변수나 인스턴스 메소드에 사용될 목적으로 선언된다.

지역 클래스(local class)

지역 클래스(local class)란 외부 클래스의 메소드나 초기화 블록에 선언된 클래스를 의미한다. 지역 클래스는 선언된 블록 내에서만 사용할 수 있다.

익명 클래스(anonymous class)

익명 클래스(anonymous class)란 다른 내부 클래스와는 달리 이름을 가지지 않는 클래스를 의미한다.
익명 클래스는 클래스의 선언과 동시에 객체를 생성하므로, 단 하나의 객체만을 생성하는 일회용 클래스다. 따라서 생성자를 선언할 수도 없으며, 오로지 단 하나의 클래스나 단 하나의 인터페이스를 상속받거나 구현할 수 있을 뿐이다.
익명 클래스는 매우 제한적인 용도에 사용되며, 구현해야 하는 메소드가 매우 적은 클래스를 구현할 때 사용된다.

// 익명 클래스는 선언과 동시에 생성하여 참조변수에 대입
클래스이름 참조변수이름 = new 클래스이름(){
    // 메소드의 선언
};

Reference

http://www.tcpschool.com/

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개발 메모리

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다형성(polymorphism)이란?

참조 변수의 다형성

참조 변수의 타입 변환

instanceof 연산자

추상 클래스(abstract class)

추상 메소드(abstract method)

인터페이스(interface)란?

인터페이스의 장점

인터페이스의 선언

인터페이스의 구현

클래스를 이용한 다중 상속의 문제점

내부 클래스(inner class)

내부 클래스의 장점

내부 클래스의 종류

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참조 변수의 다형성

참조 변수의 타입 변환

instanceof 연산자

추상 클래스(abstract class)

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