코딩을 하다 보면 한 자료형(타입)에 속하는 값 내지 개체를 다른 타입으로 변환해야 할 때가 있다. 아주 직관적이거나(C에서 정수와 enum), 작은 타입에서 큰 타입으로 가기 때문에 정보 손실 염려가 없는 상황에 대해서는 해당 언어의 문법 차원에서 대입이나 함수 인자 전달이 곧장 허용되곤 한다. 바이트 수가 대등하더라도 signed보다는 unsigned가 더 큰 타입이고, 정수보다 실수가 더 큰 타입으로 여겨진다.

그렇지 않고 정보 소실의 여지가 있거나 서로 호환되지 않는 타입에다 값을 집어넣는 건 컴파일러의 경고나 에러를 유발한다. 이 상황에 대비하여 프로그래밍 언어들은 여러 형변환 함수들을 제공하는데, 씨크하게 괄호 안에다가 타입 이름만 달랑 쓰면 형변환 연산자로 인식되는 C/C++이 여기서도 참 유별난 면모를 보이는 것 같다.

형변환이란 건 값의 초기 타입과 목적 타입이 무엇이냐에 따라 내부에서 벌어지는 일이 매우 다양한 편이다.

(a) 없음: LPARAM에서 void*, void*에서 char* 같은 무식한 형변환은 소스 코드상의 의미만 매우 과격하게 바뀔 뿐, 내부적으로 행해지는 일은 전무하다! (클래스 상속 관계를 신경쓸 필요 없는 간단한 것 한정으로)

(b) 그냥 뒷부분 짜르거나 늘리기: int와 char 사이의 변환

(c) 정수와 실수 사이를 변환: 내부적으로 일어나는 일이 분명 간단하지는 않지만, 요즘은 이런 건 CPU 명령 한 줄이면 바로 끝난다. x86 기준으로 cvtsi2sd이나 cvttsd2si 같은 인스트럭션이 있다.

(d) 고정된 오프셋 보정: 단순한 형태의 다중 상속에서 제n의 부모 클래스 포인터를 얻으려면 이런 보정이 필요하다.

(e) 함수 호출: 해당 클래스에다 사용자가 구현해 놓은 operator 함수가 호출된다. 사실, 100과 "100"처럼 숫자와 문자열 사이의 변환도 컴퓨터의 관점에서 보면 이 정도의 cost가 필요한 작업이다.

(f) 상속 계층 관계 그래프 순회: 이건 객체지향 이념 때문에 형변환 연산이 언어 차원에서 가장 복잡해지는 상황이다. 위의 1~5와는 근본적으로 차원이 다르다. 가상 상속 체계에서 부모 클래스를 찾아가거나 dynamic_cast 형변환을 하려면 자기의 타입 정보 metadata를 토대로 주변 클래스 계층 그래프를 O(n) 시간 동안 순회해야 한다(n은 상속 단계).
사용자의 코드가 아닌 컴파일러의 코드만 실행됨에도 불구하고 런타임 가변적인 반복이 발생할 수 있으며, 객체와 메모리 상태가 어떤지에 따라서 형변환 결과가 dynamic하게 달라질 수 있다!

내부적으로 벌어지는 일은 대략 저렇게 분류 가능하고, 겉으로 소스 코드의 의미 차원에서도 형변환의 성격을 몇 가지로 분류할 수 있다.
처음에 C++에는 그냥 C-style cast밖에 존재하지 않았다. 그런데 그랬더니 형변환 연산이 발생하는 부분만 검색으로 뽑아내는 게 어려웠고, 또 단순한 형변환과 좀 위험한 형변환 같은 걸 따져 보기도 어려웠다. 표현 형태가 괄호와 타입 이름이 전부이니까..

그래서 1996~97년경, C++98의 발표를 앞두고 C++에는 길고 굉장히 기괴해 보이지만 용도별로 세분화된 형변환 연산자가 4종류나 추가되었다. namespace, bool, explicit, mutable 이런 키워드들과 같은 타이밍에 도입되었다. C++이 숫자는 몽땅 machine-word int로 어영부영 때우려던 C스러운 사고방식을 탈피하고, 예전에 비해 나름 type-safety를 따지기 시작한 그 타이밍이다. (예: C와 C++에서 sizeof('a')의 값의 차이는?)

새 연산자들은 모두 *_cast로 끝난다. 옛날의 재래식 형변환은 (NEWTYPE)value라고 썼고 C++ 문법으로는 NEWTYPE(value)도 허용되는 형태였다(NEWTYPE이 딱 한 단어 토큰으로 떨어지는 경우에 한해서).
그에 비해 새 연산자들은 *_cast<NEWTYPE>(value)라고 쓰면 된다. < > 안에다가 타입 이름을 쓰는 것은 템플릿 인자 문법에서 유래되었는데 나름 직관적이고 적절한 활용 같다.

1. static_cast

얘는 일상적으로 가볍고 큰 무리 없이 일어나는 일반적인 형변환을 거의 다 커버한다. (1) 큰 타입에서 작은 타입으로(실수에서 정수, UINT에서 int, long long에서 int 등..), 그리고 (2) 범용적인 타입의 포인터에서 더 구체적인 타입의 포인터로(void*에서 타 포인터, 기반 클래스*에서 파생 클래스 포인터) 말이다. 이게 대부분이다.

그리고 형변환 operator 호출이라든가, 다중· 가상 상속으로 인한 포인터 보정도 언어에서 보장돼 있는 메커니즘이므로 알아서 처리해 준다. 정말 대부분의 상황에서 앞서 나열했던 (a)에서 (f)까지, C-style cast를 대체할 수 있는 무난한 연산자이다. 단, f에서 typeid와 RTTI까지 동원되는 제일 비싸고 난해한 기능은 없으며, 이건 나중에 설명할 dynamic_cast가 전담하는 영역이다.

2. const_cast

얘는 값이 아니라 포인터/참조자형에서 C/C++ 특유의 한정자(qualifier) 속성만을 제거해서 더 범용적인 포인터로 만들어 준다. 그러므로 용도가 아주 제한적인 형변환 연산자이다.
C++에서 공식적으로 제공되는 qualifer는 const와 volatile이 있다. 이런 한정자는 가리키는 대상 타입과는 아무 상관 없고, 포인터를 이용해 그 메모리를 접근하는 방식 차원에서 제약을 부여할 뿐이다. 전자는 읽기 전용 속성이고, 후자는 멀티스레드에 의해 값이 언제든 바뀔 수 있음을 대비하라는 최적화 힌트이다.

Visual C++에는 __unaligned라는 확장 키워드도 저것들과 동급인 한정자이다. 이 포인터는 machine word 단위의 align이 맞춰지지 않은 주소가 들어올 수도 있으니 그렇더라도 뻗지 말고 보정하라는 뜻이다(성능 오버헤드 감수하고라도). align 보정을 알아서 너무 잘 해 주고 있는 x86 계열은 전혀 해당사항이 없고, 과거에 IA64를 지원하던 시절에 필요했던 키워드이다. 이것도 포인터 한정자 속성으로서는 굉장히 적절한 예이며, 이런 속성들을 const_cast로 제거할 수 있다.

3. reinterpret_cast

이건 의미론적으로는 제일 무식하고 생뚱맞고 위험하지만 내부 처리는 제일 할 것 없는 형변환 전문이다. (1) 정수와 포인터 사이를 전환하는 것, 그리고 (2) 서로 관련이 없는 타입을 가리키는 포인터끼리 전환하는 것.. 어디 범용적인 함수나 메시지로부터 아주 polymorphic한 데이터를 전달받아서 처리할 때에나 불가피하게 쓰일 법하다.

void*를 char*로 바꾸는 건 static_*으로도 되고 reinterpret_*으로도 된다. 하지만 const char*를 char*로 바꾸는 것은 static_*나 심지어 reinterpret_*로도 안 되고 반드시 const_*로만 해야 한다.
그런데 그래 봤자 reinterpret_*과 const_*는 어떤 경우에도 실질적인 내부 처리는 (a)뿐인(= 없음).. 참 허무한 연산자이다. 실질적인 처리가 없지만 이 숫자값을 해석하는 방식을 변경하는 이유는 분야별로 여럿 존재할 수 있다는 뜻이다.

재래식 C-style cast는 따지고 보면 1~3을 그냥 싸잡아서 구분 없이 수행해 준다. 그런데 가끔 드물게 다중· 가상 상속 관계의 타입 포인터끼리 형변환을 할 때 정석대로 보정 연산을 거친 포인터를 원하는지(static_*), 아니면 이것도 아무 보정 없이 동일한 메모리 주소에서 타입만 바꿔서 해석하고 싶은지(reinterpret_*) 모호해질 때가 있다.

이런 문제도 있고, 또 C++에다가 좀 제대로 된 객체지향 언어의 기능을 뒤늦게 갖추려다 보니 새로운 형변환 메커니즘이 필요해졌다. 이쯤 되니까 형변환 연산자도 별도의 예약어로 도입해서 구분하지 않고서는 도저히 버틸 수 없는 지경이 됐다. 그럼 다음으로 제일 괴물인 형변환 연산자에 대해서 살펴보도록 하자.

4. dynamic_cast

가상 함수를 쓰면 기반 클래스의 포인터를 주더라도 자신이 실제로 속한 파생 클래스에 해당하는 멤버 함수가 알아서 호출된다.
그리고 다중 상속 때 가상 상속을 쓰면, 여러 부모 클래스들이 동일한 조부모 클래스로부터 상속받았을 때 공통 조부모가 한 번만 상속되는 마술(?)이 일어난다. 물론 객체지향 언어에서 유연한 코드 재사용성을 보장하는 모든 마술에는 그에 상응하는 성능 오버헤드가 대가로 따른다는 점은 감안할 필요가 있다.

그런데 과거의 C++은 상속과 함수 호출에서 이렇게 언어 차원의 동적 바인딩이 지원되는 것과 대조적으로, 형변환에는 "동적 바인딩 + 무결성"을 보장하는 메커니즘이 딱히 없었다. 이놈이 A의 파생 클래스이긴 하지만 더 구체적으로 A의 자식들 중에 B가 아닌 C의 파생 클래스가 진짜로 맞는지, 이 멤버에 접근하고 이 함수를 호출해도 안전하겠는지 말이다.

C++은 void*가 있을지언정, 언어 차원에서 모든 클래스들의 공통 클래스(Java의 Object 같은)라는 개념이 없다. 그리고 클래스 내부의 vbtl에 직접 접근한다거나, 가상 함수의 포인터 값을 보고 클래스 종류를 판별할 수 있을 정도로 C++이 ABI가 몽땅 왕창 노출돼 있느냐 하면 그렇지도 않다(겉에는 공통의 썽킹 함수의 주소만 노출돼 있기 때문). 뭔가 어정쩡하다.

그러니 MFC 같은 옛날 라이브러리들은 자체적으로 CRuntimeClass 같은 타입 메타정보를 구비하고, 이놈이 CObject의 파생이긴 하지만 특정 클래스의 파생형이 정말 맞는지 런타임 때 확인하는 함수를 자체적으로 구현해야 했다.
C++이 아무리 C의 저수준 고성능 제어 이념을 계승했다 해도 명색이 객체지향 언어인데 그런 기능조차 없는 건 좀 아니라 여겨졌는지, 훗날 언어 차원에서 타입 식별 정보와 전용 형변환 연산자가 도입됐다. 그 결과물이 바로 dynamic_cast이다.

함수도 virtual, 상속도 virtual인 걸 감안하면 얘의 이름은 기술적으로 virtual_cast라 해도 과언이 아닐 듯하다. 하지만 static_* 이라는 단어가 이미 있으니 그것보다 더 값비싼 형변환이라는 의미로 dynamic_*이라는 이름이 최종적으로 붙었다. static_*은 이놈이 진짜 조상 관계가 맞는지 확인하지 않고 그냥 O(1) 복잡도짜리 기계적인 오프셋 보정만 해서(필요한 경우) 파생 클래스로 형변환해 주는 반면, dynamic_*은 타입 식별자를 직접 확인까지 한다는 것이다.

가상 함수의 구현을 위해서는 함수 포인터 테이블과 테이블의 포인터(멤버)가 필요하고, 가상 상속의 구현을 위해서는 기반 클래스의 포인터(멤버)가 필요하다. 그것처럼 동적 바인딩 형변환을 구현하려면 클래스 이름과 계층 관계를 기술하는 메타데이터와 함께 그놈의 포인터(멤버)가 필요하다.

가상 함수와 가상 상속 지원을 위한 데이터는 비공개로 꽁꽁 감춰져 있는 반면, 동적 바인딩 형변환을 위한 타입 식별자 데이터는 공식적으로 스펙이 공개돼 있고 일반 프로그래머들이 언어 요소를 통해 접근할 수 있다. 일명 RTTI (run-time type info)이다.
#include <typeinfo>를 한 뒤 typeid() 연산자로 const type_info&라는 구조체, 아니 클래스를 들여다보면 된다. typeid는...

  • sizeof와 마찬가지로 오버로딩 할 수 없다.
  • sizeof와 마찬가지로 타입 이름과 일반적인 값을 모두 받을 수 있다. 단, sizeof는 값이 올 때는 괄호를 생략할 수 있는 반면, typeid는 그렇지 않아서 언제나 뒤의 피연산자를 괄호로 싸야 한다.
  • sizeof는 결과값이 무조건 정적 바인딩으로 구해지는 반면, typeid는 바인딩이 정적과 동적 사이에서 어정쩡하다. 피연산자가 타입 이름이거나, 값이더라도 int 같은 primitive type 내지 상속이고 가상 함수고 아무것도 없는 구조체라면.. sizeof와 마찬가지로 수식을 실제로 evaluate하지 않는다. 그러나 뭔가 상속 관계 규명이 필요하다 싶은 개체라면 런타임 계산이 행해진다.

쉽게 말해 typeid는 MFC로 치면 obj->GetRuntimeClass()와 RUNTIME_CLASS(classnam)의 역할을 혼자 모두 수행한다는 뜻이다.
그럼 관련 타입들에 대해 DECLARE_DYNAMIC 내지 IMPLEMENT_DYNAMIC도 어딘가에 행해져야 할 텐데, 그건 C++ 컴파일러가 typeid 연산자가 쓰인 곳을 총체적으로 따져서 알아서 처리해 준다.

이런 RTTI 기능은 대다수의 C++ 컴파일러에서 사용 여부를 옵션으로 지정할 수 있게 돼 있다.
RTTI를 사용한 상태에서 dynamic_cast를 사용하면 실제 타입이 그게 아닌데 그 파생 타입으로 형변환을 시도하는 경우.. 피연산자가 포인터였다면 NULL이 날아오고, null이 가능하지 않은 참조자를 줬다면 예외(exception)를 날리게 된다.
이것도 다중 상속까지 생각한다면 상속 관계 그래프를 타고 오프셋을 보정하는 알고리즘이 가히 판타지가 될 것 같다.

이상.
객체지향 언어라는 게 그냥 구조체에다가 this가 자동으로 전달되는 함수가 같이 딸려 있고, 상속에 다형성 정도 지원되는 게 전부라고 생각하는 게 얼마나 순진한 생각인지 알 것 같다.
PC 환경에서 C를 초월하여 C++이 보급된 게 1990년대 초쯤인데, 이 무렵에 템플릿과 다중 상속도 도입됐다. 처음부터 있었던 게 아니다. 그리고 그때부터 C++은 뭐랄까, 괴물 같은 복잡도를 자랑하는 치떨리는 언어로 변모한 것 같다.

구리고 지저분한 면모가 많지만 그래도 그 정도 객체지향 이념에다가 고성능 저수준 제어까지 이만치 잡은 건 얘가 C++이 가히 독보적인 것 같다.
그러니 형변환 연산자도 언어를 따라 이렇게 복잡해진 것이다. 일례로, Java는 final이 있을지언정 포인터도 없고 const니 volatile 같은 건 신경 쓸 필요도 없는데 뭐 저런 구분이 필요하겠는가? 그러니 지금도 여전히 C-style cast만으로도 충분한 것이다.

Posted by 사무엘

2018/03/25 08:30 2018/03/25 08:30
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