C++ 다중 상속 생각

날개셋 한글 입력기 같은 Windows용 프로그램을 개발하다 보면 여러 개의 COM 인터페이스를 한꺼번에 상속받아 구현한 단일 클래스를 구현하게 된다.

그런데 하루는 이런 의문이 들었다. 각각의 인터페이스들이 다 IUnknown을 상속받았는데 어떻게 어느 인터페이스로 접근하든지 AddRef, Release 같은 공통 인터페이스들은 중복 없이 동일한 함수 및 동일한 숫자 카운터 인스턴스로 연결될까? 데이터 멤버 없이 인터페이스 상속만 하면 this 포인터 보정이 필요 없이 다중 상속과 관련된 문제들이 상당수 깔끔하게 해결될까?

그래서 클래스 A, 이로부터 상속받은 B와 C, 그리고 B와 C를 다중 상속한 D 이렇게 네 개의 클래스가 있을 때 일명 ‘죽음의 다이아몬드’ 현상을 해소하는 방법이 무엇이 있는지를 정리해 봤다. C++의 다중 상속과 관련해서는 이제 더 글을 쓸 게 없을 줄 알았는데 내가 지금까지 생각하지 못하고 있던 요소들이 더 있었다.

1. 가상 상속

클래스에서 상속이라는 건 기술적으로 어떤 구조체에다가 부모 클래스의 컨텐츠(데이터 멤버)들을 앞에 쭉 늘어놓고 나서 그 뒤에 나 자신의 컨텐츠를 추가하는 것과 같다. 그러니 부모 클래스와 자식 클래스 포인터를 형변환 하는 건 그냥 프로그래밍 언어 차원에서의 의미 변환일 뿐, 메모리 주소가 바뀌는 것은 전혀 없다. 아주 쉽다.

그런데 가상 상속은 부모 클래스의 컨텐츠를 그렇게 나 자신의 일부로서 고정된 영역에 배치하는 게 아니라, 포인터로 참조하는 것과 같다.
부모 클래스를 ‘가상’이라는 방식으로 상속한 자식 클래스는 부모 클래스와 자식 클래스가 굳이 메모리 상에 연속된 형태로 있지 않아도 된다. 그러니 동일 부모를 공유하는 다수의 클래스가 다중 상속되더라도 이들이 공통의 유일한 부모 하나만을 가리키게 하면, 한 부모 클래스의 데이터들이 불필요하게 여러 번 상속되는 것을 막을 수 있다.

여기서 중요한 것은, D가 B, C를 ‘가상’ 상속하는 게 아니라는 점이다. 부모인 B와 C가 A를 미리 가상으로 상속해 놔야 한다.
가상 함수도 자식이 아닌 부모 클래스에서 미리 지정해 놔야 하듯 말이다.

그러니 클래스 라이브러리 개발자는 공통 부모를 공유하는 여러 클래스들이 사용자에 의해 다중 상속되겠다 싶으면 그 공통 부모를 virtual로 상속하도록 설계를 미리 해 놔야 한다. 특히 그 클래스(공통 부모 말고)가 순수 가상 함수 같은 걸 포함하고 있어서 상속이 100% 필수라면 더욱 그러하다.
앞의 A~D의 경우, 혹시 A가 default constructor가 없어서 B, C의 생성자에 모두 A를 초기화하는 인자가 들어있었다 하더라도, D의 A는 D의 생성자에서 제공된 인자만으로 딱 한 번만 초기화된다.

가상 상속을 한 자식 클래스는 굉장히 이색적인 특징을 하나 갖게 된다.
자식 클래스의 포인터에서 부모 클래스의 포인터로 형변환을 하는 것이야 너무 당연한 귀결이며, 반대로 부모에서 자식으로 가는 건 좀 위험한 일이긴 하지만 어쨌든 가능하다. 단일 상속에서는 말할 필요도 없고, 다중 상속이라 하더라도 그냥 고정된 크기만큼의 포인터 덧셈/뺄셈만 하면 된다.
그에 반해, 부모 클래스에서 자신을 virtual 상속한 자식 클래스로 형변환은 일반적으로 허용되지 않는다…!

A *pa = new D; //자식에서 부모로 가는 건 당연히 되고
B *pb = new D;
D *pd;
pd = static_cast<D*>(pb); //부모에서 자식으로 가는 건 요건 괜찮지만
pd = static_cast<D*>(pa); //요건 안 된다는 뜻..

그 자식 클래스의 주소와 부모 클래스의 주소 사이에는 컴파일 타임 때 결정되는 관계 내지 개연성이 없기 때문이다.
자식에서 부모로 거슬러 올라가는 게 단방향 연결 리스트를 타는 것과 다를 바 없게 됐는데, 저런 형변환은 단방향 연결 리스트를 역추적하는 것과 같으니까 말이다.

물론, 가상 상속이라 해도 현실에서는 D라는 오브젝트 내부에서 A가 배치되는 오프셋은 고정불변일 것이고 컴파일러가 그 값을 계산하는 게 불가능하지 않을 것이다. 모든 자식 클래스들과 연속적으로 배치되지만 않을 뿐이다.
static_cast를 어거지로 구현하라면 구현할 수는 있다. 하지만 이 A가 반드시 D에 속한 A라는 보장도 없고, 포인터에 무엇이 들어있는지 확신할 수 없는데.. C++ 컴파일러가 그런 어거지 무리수까지 구현하지는 않기로 한 모양이다.

2. 가상 함수로 이뤄진 추상 클래스(인터페이스)들만 상속

죽음의 다이아몬드를 해소하기 위해서 요즘 프로그래밍 언어들은 C++ 같은 우악스러운 수준의 다중 상속을 허용하지 않고, 잘 알다시피 데이터 멤버 없고 가상 함수로만 구성된 추상 클래스들의 다중 상속만 허용하곤 한다.
그러면 문제의 복잡도가 크게 줄어들긴 한다. 효과가 있다. 하지만 그게 전부, 장땡은 아니다.

명시적인 데이터가 없는 클래스라 하더라도 가상 함수가 들어있는 클래스를 상속받을 경우, 2개째와 그 이후부터는 클래스 하나당 vtbl (가상 함수 테이블 v-table) 포인터만치 클래스의 덩치가 커지게 된다.

단일 상속 체계에서는 this 포인터의 변화가 전무하니 상속을 제아무리 많이 하더라도 한 vtbl의 크기만 커질 뿐, 그 테이블을 가리키는 포인터의 개수 자체가 늘어날 필요는 없다.
그러나 다중 상속에서는 D 같은 한 객체가 상황에 따라 클래스 B 행세도 하고 클래스 C 행세도 하면서 카멜레온처럼 변할 수 있어야 한다. 그렇기 때문에 A, B, D일 때의 vtbl, 그리고 C일 때의 vtbl 이렇게, 테이블과 테이블 포인터가 둘 필요하다.

클래스 D에 속하는 인스턴스 포인터(가령, D *pd)를 부모 C의 포인터로 변환해서 전달할 때는 pd는 A, B, D 같은 직통 상속 계열 vtbl이 아니라 C의 vtbl을 가리키는 형태로 오프셋이 보정된다. 그리고 여기서 가상 함수를 호출하면.. this 포인터가 C가 아닌 D를 기준으로, 보정 전의 형태로 복구된 채로 함수에 전해진다. 이 함수는 애초부터 C가 아닌 D에 소속된 함수이기 때문이다.

즉, 다중 상속에서 가상 함수를 호출하면 비록 겉으로 this 포인터는 바뀐 게 없지만 내부적으로 vtbl을 찾는 것을 부모와 자식 클래스가 완전히 동일하게 수행하기 위해서 보정이 일어나고, 그걸 함수에다 호출할 때는 보정 전의 값을 전하도록 일종의 thunk 함수가 먼저 수행된다.
한 클래스 오브젝트에서 여러 인터페이스 함수를 자유자재로 호출하는 polymorphism의 이면에는 이런 비용 오버헤드가 존재하는 셈이다. 무슨 숫자나 문자열로 메시지를 전하는 게 아닌 이상, 서로 다른 클래스에 존재하는 가상 함수는 vtbl의 종류와 오프셋으로 구분할 수밖에 없다.

3. 멤버로만 갖기

다중 상속의 지저분함을 회피하는 방법 중 하나는.. 원하는 기능이 들어있는 클래스를 내 아래로 상속하지 말고 그냥 멤버 변수로 갖는 것이다. 상속하더라도 걔만 따로 상속해서 확장 구현을 한 뒤에 그걸 멤버 변수로 갖는다. 이 개념을 유식한 용어로는 aggregation이라고 한다.

이 방법은 다중 상속의 각종 오버헤드는 피할 수 있지만 그만큼 다른 방면에서 불편을 야기한다. 그 클래스가 동작하는 과정에서 내 클래스의 함수 및 데이터를 빈번하게 참조해야 한다면(결합도 coupling가 높은 관계..) 그 통로를 억지로 트는 게 더 불편하며 코드를 지저분하게 만든다. 또한 서로 다른 클래스 간에 중복 없이 동일한 기능을 제공하는 일관된 인터페이스를 만드는 게 다중 상속이 아니면 답이 없는 경우도 있다.

이게 경험상 딱 떨어지는 답이 있는 문제가 아니다. 복잡한 클래스 계층이 필요한 대규모 개발을 한 경험이 없는 프로그래머라면 이런 부류의 문제는 배경을 이해하는 것조차 난감할 것이다. 그렇기 때문에 다중 상속이 무조건 나쁘기만 한 건 아니며, 그걸 억지로 우회하다 보면 결국 다른 형태로 불편함과 성능 오버헤드가 야기될 거라며 다중 상속을 옹호하는 프로그래머도 있다.

이상.
객체지향 프로그래밍 언어에서 다중 상속은 사람마다 취향 논란이 많은 주제이다. 비록 C++이 이걸 지원하는 유일한 언어는 아니지만, 네이티브 코드 생성이 가능한 유명한 언어 중에서는 C++이 사실상 대표격인 것처럼 취급받고 있다.

어떤 기능이 절대적으로 나쁜 것만 아니다면야 없는 것보다는 있는 게 좋을 것이다. 상술했다시피 다중 상속이 가능해서 아주 편리한 경우도 물론 있다. 한 오브젝트로 다수 개의 기반 클래스 행세를 자동으로 하는 것과, 그 오브젝트 내부의 구현 함수에서는 여러 기반 클래스를 넘나드는 게 동시에 되니까 말이다.

하지만 다중 상속은 가성비를 따져 보니 그 부작용과 오버헤드, 삽질을 감수하면서까지 굳이 구현하고 지원할 필요가 있나 하는 게 PL계의 다수설 대세로 흐르고 있다. this 포인터의 보정이라든가, 복수 개의 기반 클래스들이 또 공통의 기반 클래스를 갖고 있을 때 발생하는 모호성의 처리 등.. 템플릿 export만치 막장은 아니지만 컴파일러 개발자와 PL 연구자들의 고개는 설레설레 저어지곤 했다.

그래서 C++ 이후에 등장한 더 깔끔한 언어인 D, C#, Java 등은 다중 상속을 지원하지 않는다. 그 대신 다중 상속을 우회하고 복잡도를 완화하기 위해, 적어도 가상 상속만은 할 필요가 없게끔 static 내지 가상 함수 선언만 잔뜩 들어있는 인터페이스에 대해서만 다중 상속을 허용하는 것이다. Java는 두 종류의 상속을 extends와 implements라고 아예 구분까지 했다.

물론 이런 패러다임 하에서는.. 프로그램 구조가 간단해서 가상 함수로 만들 필요가 없는 것까지 일단은 인터페이스부터 만들어 놓고 구현 클래스를 내부적으로 또 만드는 식의 오버헤드 정도는 감수해야 한다. 하지만 Java는 final이 아닌 함수는 기본적으로 몽땅 가상 함수일 정도로.. 디자인 이념이 애초에 성능 대신 극도의 유연성이니, 그 관점에서는 그건 별 상관이 없는가 보다.

가장 대중적인 기술이 알고 보면 레거시 때문에 굉장히 지저분하고 기괴하기도 하다는 것은 CPU계에서 x86이 그 예이고, 프로그래밍 언어에서는 C++이 해당되지 싶다. 전처리기(+생짜 파일 기반 인클루드), 다중 상속, 클로저 없이 특유의 pointer-to-member 기능 같은 것 말이다. 후대 언어에서는 저런 게 결코 도입되지 않고 있다.

본인은 다중 상속을 굳이 의도적으로 기피하면서 코딩을 하지는 않는다. 다중 상속이 필요하고 당장 편하겠다 싶으면 한 클래스에다 막 엮었다. 그 상태로 막 복잡한 pointer-to-member나 람다를 구사하면서 컴파일러를 변태적으로 괴롭히지는 않을 것이고, 컴파일러가 그냥 this 포인터 보정을 알아서 해 주는 것만 원했으니까 말이다.

하루는 ", public"라고 검색을 해서 날개셋 한글 입력기의 소스 코드 내부에도 혹시 다중 상속을 쓴 부분이 있나 찾아 봤는데.. 그래도 2017년 현재 날개셋 한글 입력기의 소스 코드에는 데이터 멤버가 존재하는 클래스를 둘 이상 동시에 상속받은 부분은 없었다. 추가적인 상속처럼 보이는 것은 COM 인터페이스 내지, 내가 콜백 함수를 대신해서 내부적으로 만들어 놓은 추상 클래스 인터페이스들이었다.

한두 번 썼을 법도 해 보이는데.. 이 정도 규모의 프로그램을 만드는 데도 실질적인 다중 상속을 사용한 부분이 없다면 그건.. 정말로 가성비 대비 불필요하게 지원할 필요는 없을 법도 해 보인다.

Posted by 사무엘

2017/12/26 08:37 2017/12/26 08:37
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