1. 가상 함수 테이블을 강제로 없애기

C++에서는 가상 함수가 하나 이상 존재하는 클래스는 그렇지 않은 클래스와 좀 다른 취급을 받게 된다. 자기가 새로 선언한 것뿐만 아니라 기반 클래스로부터 상속받은 가상 함수까지 포함해서 말이다.
가상 함수가 존재하는 모든 클래스들은 각각 가상 함수 포인터 테이블(v-table)이라는 일종의 global 배열을 할당받으며, 이를 가리키는 포인터를 멤버로 갖게 되고 생성자에서 그 포인터의 값이 초기화된다.

클래스에 온갖 파생 클래스와 가상 함수들이 추가되고 상속 단계가 복잡해질수록, 이 테이블들의 개수와 크기도 무시 못 할 비중을 차지하게 된다.
A라는 클래스에 가상 함수가 5개 있으면 A의 v-table은 크기가 5이다. 그런데 A로부터 상속받은 클래스 B가 또 가상 함수를 3개 추가한다면 B의 v-table의 크기는 5+3 = 8이 된다. 그런 식이다. 다중· 가상 상속 같은 것까지 자연스럽게 지원하려면 B의 v-table에도 A의 것이 고스란히 몽땅 중복 등재돼 있어야 한다.

그런데 문제는 순수 가상 함수가 들어가 있어서 단독으로 인스턴스가 생성될 일이 전혀 없는 클래스에 대해서도 일단은 동작의 일관성을 보장하기 위해 v-table이 잉여스럽게 따로 생성된다는 것이다.
왜냐하면 B라는 클래스의 생성자는 그 정의상 기반 클래스 A의 생성자를 반드시 호출하게 돼 있고, A의 생성자가 하는 일 중 하나는 A에 대한 고유한 v-table을 참조하는 것이기 때문이다.

어차피 값이 거의 전부 다 NULL이고 실제로 쓰일 일도 없는 v-table이 쓸데없이 생성되는 일을 막기 위해, Visual C++에는 __declspec(novtable)이라는 비표준 확장 속성이 도입되었다. 특히 COM이라는 규격을 C++ 언어와 바이너리 차원에서 연계하려다 보니 이 기능이 없어서는 도저히 안 되는 지경이 되었다.

굳이 순수 가상 함수가 없더라도, 어쨌든 반드시 파생 클래스 형태로만 쓰이지 그 자체가 인스턴스 형태로 선언될 일이 없는 클래스라면 __declspec(novtable)를 지정해 주는 게 메모리 절약 측면에서 좋다. 날개셋 한글 입력기의 경우 이걸 적용해 주니 ngs3.dll의 크기가 수 KB 남짓 줄어드는 효과가 있었다.

특히 데이터 멤버 없고 순수 가상 함수밖에 없는 인터페이스라면 이거 지정이 무조건 필수이다. 이래서 후대의 객체지향 언어들은 구조체(생성자 소멸자 가상 함수 없는 POD) vs 클래스뿐만 아니라, 일반 클래스 vs interface(추상 클래스)도 언어 차원에서 구분한다는 게 느껴졌다. 이게 단순히 외형이나 기분상의 구분만을 의미하지 않는다.

파생 클래스 쪽의 초기화가 덜 된 오브젝트에 대해서 순수 가상 함수를 호출해 버리면 보통은 pure virtual function call이라는 C++ 예외가 발생한다. 그런데 __declspec(novtable)가 지정된 오브젝트에 대해서 가상 함수를 호출해 버리면 저런 high-level 예외가 아니라 그냥 NULL 포인터 접근에 준하는 평범한 access violation 에러가 나면서 프로그램이 죽게 된다.

2. 가상 함수 테이블의 메모리 오버헤드

가상 함수 테이블 얘기를 계속하겠다.
B가 가상 함수가 100개 있는 A라는 클래스를 상속받아서 자신만의 가상 함수를 새로 만드는 것 없이, A의 함수 중 딱 한두 개만 override를 했더라도.. 컴파일러는 내용이 한두 개밖에 차이가 나지 않고 거의 동일한 원소 100개짜리 함수 포인터 배열을 또 하나 만들게 된다. B의 모든 인스턴스들이 한데 공유하는 가상 함수 포인터 테이블 말이다. 일종의 copy-on-modify와 비슷한 메커니즘이다.

그렇게 해야만 A건 B건 오브젝트 종류를 불문하고 가상 함수의 주소를 배열 오프셋만으로 O(1) 시간 만에 곧장 얻어 와서 호출을 할 수 있기 때문이다.
가상 함수 호출은 그렇잖아도 오버헤드가 일반 함수 호출보다 훨씬 더 큰데, 메모리를 아낀답시고 주소를 얻는 것조차 클래스 계층이나 함수 테이블을 뒤지는 방식이어서는 곤란하다.

하지만 이런 내부 디테일과 오버헤드를 생각하면 클래스를 아무 부담 없이 막 상속받기가 좀 부담스러워진다. 뭐, 요즘처럼 컴퓨터에 메모리가 풍족한 시대에 무슨 198, 90년대 같은 메모리 구두쇠 쫌생이처럼 코딩을 할 필요는 없지만, 그래도 같은 값이면 컴퓨터의 자원을 아껴 쓰는 게 프로그래머의 미덕 아니겠는가?

그렇다고 언어의 스펙을 바꿔 버릴 수는 없으니, Windows용 C++ 라이브러리인 MFC는 저런 가상 함수 테이블 오버헤드를 줄이기 위해, CWnd 클래스의 Windows 메시지 handler 함수는 가상 함수 대신 pointer-to-member 기반의 message map으로 구현한 것으로 잘 알려져 있다.

얘는 사용자가 실제로 overriding을 한 함수의 개수만큼만 테이블의 크기가 커지니 공간 사용은 효율적이다. 그러나 메시지에 대응하는 함수를 찾는 일은 매번 테이블을 선형 검색을 해야 하기 때문에 시간 복잡도가 O(n)으로 커진다.
이 부분은 정말 밥 먹듯이 자주 호출되는 부분이고 목숨 걸고 성능을 최적화해야 하는지라, MFC 소스에서도 극히 이례적으로 인라인 어셈블리가 사용되어 있다~! (wincore.cpp의 AfxFindMessageEntry 함수)

객체지향을 구현하기 위해서 이런 시간-공간 tradeoff를 따져 봐야 하니, C++보다 더 유연한 디자인을 추구한 Objective C 같은 언어는 메시지를 아예 문자열로 식별하게 했다(selector). 이름으로부터 실제 주소 매핑은 물론 hash 기반이고..

C++은 배열 오프셋 기반이어서 당장 성능 자체는 제일 좋으나, 클래스에서 뭐가 바뀌었다 싶으면 몽땅 재컴파일 해야 한다. 그리고 그런 경직된 체계에서 다중/가상 상속과 멤버 함수 포인터까지 구현하려다 보니 디자인에 무리수가 많이 들어갔고, 그 뒷감당은 결국 컴파일러 제조사들이 비표준 확장을 도입해서 땜빵하는 촌극이 벌어졌다.

그에 비해 Objective C는 신호등 교차로 대신 회전 교차로, 수동 변속기 대신 아예 자동 변속기 같은 접근을 한 셈인데.. C++ 같은 C의 이념 적당히 절충이 아니라 객체지향 언어라는 이론만 생각해 보면 저런 접근 방식도 충분히 가능은 하겠다는 생각이 든다.

3. 캐사기 auto

람다 함수가 최초로 도입된 C++0x 시절에 곧장 가능했던 것 같지는 않다만..
요즘 람다는 인자와 리턴값의 타입으로 auto를 지정할 수 있다.. >_<
auto에서 또 auto가 가능하다니? 그것도 C++ 같은 언어에서.. 이건 좀 꽤 사악한 기능인 것 같다.

auto Func = [](auto x) -> auto { return x * 2; };
printf("%f\n", Func(1.4));
printf("%d\n", Func(25));

람다가 일반 C++ 함수 같은 오버로딩이나 템플릿을 지원하지는 않으나, 저기서는 auto가 템플릿 인자 역할을 하는 거나 마찬가지이다.
생긴 건 함수와 비슷하지만 캡처가 지원되고 호출 규약 제약 없고 저런 것까지 가능하니.. 기존의 함수와는 형태가 얼마나 다른지 알 수 있다.

그나저나 람다 함수는 함수 자기 자신을 지칭해서 재귀 호출을 하는 방법은 여전히 없는지? this처럼 자기 함수 자신을 가리키는 예약어가 필요하지 않을까 싶다. __self??
그리고 사실은 C++도 기반 클래스를 지칭하는 __super 같은 키워드도 있어야 할 듯하다.

4. export의 재탄생

C++에서 완전 존재감 없는 잉여로 전락했던 auto가 10여 년 전 2010년대부터는 잘 알다시피 언어의 패러다임의 변화를 주도하는 거물로 환골탈태했다.
그것처럼.. 지난 2000년대에 비현실적인 흑역사 키워드로 전락하고 봉인됐던 키워드 export가.. 2020년대부터는 모듈 선언이라는 완전히 다른 용도로 다시 쓰이게 될 것으로 보인다. 하긴 import, export는 그 대상이 무엇이 됐건 프로그래밍에서는 굉장히 즐겨 쓰일 만한 의미의 동사이긴 하다.

지난 수십 년을 C처럼 원시적인 텍스트 include와 라이브러리 링킹에 의존했던 C++에 파스칼이나 D처럼 신속하게 빌드 가능한 모듈, 유닛이 도입되려는가 궁금하다.
그럼 이제 C/C++에서 제일 존재감 없는 잉여 키워드로는 signed만 남는 건지?

C++이 이 정도까지 변하고 있는데 #pragma once는 좀 언어 차원에서 정식으로 표준으로 수용할 생각이 없는지 궁금하다.
이제 플랫폼을 불문하고 지원하지 않는 컴파일러가 거의 없는 사실상의 표준이며, 실용적으로도 꼭 필요한 기능인데 말이다.

5. 템플릿의 prtial specialization

C++ 템플릿에는 template<typename X> class A처럼 말 그대로 템플릿을 선언하는 게 있는가 하면, template<> class A<XXX> 처럼 특정 타입에 대해 specialization을 하는 문법이 있다. 둘의 형태를 주목하기 바란다.
그런데 C++03즈음에서는 partial specialization이라고 해서 단일 타입이 아니라 일정 조건을 만족하는 템플릿 인자에 대해서는 몽땅 이 specialization을 사용하도록 하는 기능이 추가되었다. 가령 X가 포인터 타입이라든가, 템플릿 인자 A,B를 받는데 B가 A 내부의 pointer-to-member 타입이라거나 할 때 말이다.

이런 specialization에서는 template<typename X> class A<X*> 내지 A<X, X::*> 같은 식으로 template과 A에 템플릿 인자가 모두 들어온다.
개인적으로 이런 기능을 사용해 본 적은 없다. 특정 상황에서 편리한 기능이 될 수는 있겠지만.. 컴파일러를 만드는 건 더욱 어려워질 것 같다..;; 저 시절에 이런 기능과 함께 export까지 제안됐었다니 참 가관이다.

6. C++ 코딩 중에 주의해야 할 점

예전 글에서 언급했던 것들이지만 다시 한데 정리해 보았다.
참고로, 클래스의 상속 관계에서 부모/자식(parent/child), 기반/파생(base/derived)은 서로 기능적으로 아무 차이 없이 기분 따라 섞여서 쓰인다.
인자와 매개변수도(argument/parameter) 그냥 섞여 쓰이는 것 같다.

(1) C++에서는 오버로딩과 오버라이딩이 동시에 같이 자동 지원되지는 않는다.
가령, 한 클래스에서 foo라는 같은 이름으로 void foo()와 void foo(int x)를 모두 정의하는 건 당연히 가능하다(오버로딩).
하지만 둘 중 하나를(가령, 후자) 가상 함수로 지정해서 파생 클래스에서 그놈을 오버라이딩 했다면.. 파생 클래스에서는 오버라이딩 되지 않은 다른 '오버로드' 버전은 자동 지정이 되지 않는다. 이건 혼동을 피하기 위해 C++ 언어의 스펙 차원에서 일부러 그렇게 설계된 것이다.

파생 클래스에서 전자를 사용하려면 기반 클래스의 이름을 거명해서 기반::foo() 이런 식으로 언급하거나..
아니면 파생 클래스의 선언부에서 using 기반::foo; 라고 명시적으로 선언을 해 주면 된다. 그러면 foo만으로 기반 클래스의 두 함수를 곧장 접근할 수 있게 된다. using에 이런 활용 가능성도 있었다니~!

(2) 클래스 객체의 생성 단계에서 멤버들이 초기화되는 순서는 헤더에서 선언된 순서이지, 생성자 함수의 이니셜라이저 목록에 등장하는 순서가 아니다. 그렇기 때문에..

class Bar {
    int x,y;
public:
    Bar(int n): y(n), x(y+1) {}
};

위의 코드에서 x는 제대로 초기화되지 않는다. x(y+1)이 y(n)보다 먼저 실행되기 때문이다.
이건 방대하고 복잡한 클래스를 구현할 때 정말 쉽게 간과하고 실수할 수 있는 특성인데 컴파일러가 경고라도 해 줘야 되지 않나 싶다. 함수 안의 지역변수에서 "초기화되지 않은 변수 거시기를 사용했습니다" 경고를 띄우는 것과 비슷한 로직으로 별로 어렵지 않게 구현할 수 있을 텐데..??

(3) 생성자와 소멸자 함수에서는 자기 객체에 대한 가상 함수를 호출하지 말아야 한다. 비록 기반 클래스의 생성자 및 소멸자가 파생 클래스의 생성자 및 소멸자의 실행 과정에서 같이 호출되겠지만.. 기반 클래스는 자기 객체가 진짜로 기반인지 아니면 상속된 파생 클래스로부터 호출된 것인지를 전혀 알 수 없으며, 알려고 하지도 말아야 한다. 그냥 기반 클래스 자신의 일만 하면 된다.

이는 프로그래머에게 불편을 끼치는 규제가 아니라 언어의 컨셉이 그러하기 때문이다. 생성자와 소멸자는 Windows 메시지로 치면 그냥 WM_CREATE/DESTROY가 아니라 NC 버전이다. (WM_NCDESTROY는 자식 창들이 몽땅 다 사라지고 없는 상태에서 호출) 그리고 복잡한 처리를 절대로 해서는 안 되는 DllMain 함수와도 같다.

기반 생성자는 이 객체가 파생 클래스로서의 초기화가 되기 전에 먼저 호출되고, 기반 소멸자는 파생 클래스 부분이 소멸된 뒤에 맨 나중에 호출된다. 그러니 파생 클래스가 어떠한지를 따지는 것은 전혀 무의미한 것이다.
이건 위의 2번과 마찬가지로 초기화의 순서와 관련해서 저지르기 쉬운 실수이다. 2번은 멤버들의 초기화 순서이고(수평??) 3번은 상속 계층에서의 초기화 순서이다(수직??).

소멸자 자체는 반드시 가상 함수 형태로 선언해야 하지만 소멸자 내부에서 또 다형성을 기대하지는 말아야 한다는 것이 아이러니이다.

(4) 멤버 함수 포인터로 가상 함수의 오버라이딩을 제어할 수는 없다.
한 함수 포인터로 기반 클래스의 함수 내지 파생 클래스의 오버라이딩 함수 중 원하는 것의 주소를 저장하고, ptr의 값(정확히는 ptr이 가리키는 vtbl의 값)과 무관하게 ptr에 대해 원하는 함수를 강제 호출하는 것은 가능하지 않다.

그런 시도를 했을 때 함수 포인터에 저장되는 것은, 그저 ptr->vtbl에 매핑된 버전의 함수를 따로 호출하는 역할을 수행하는 thunk뿐이다.
그러니 멤버 함수 포인터를 동원한다 하더라도 vtbl을 거친 가상 함수 본연의 동작을 변형할 수는 없다.

Posted by 사무엘

2020/07/17 08:35 2020/07/17 08:35
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