C++의 멤버 포인터

C++에는 pointer-to-member이라는 아주 기괴한 개념이 있다.

마치 일반 변수를 포인터로 가리키고 전역 함수를 가리키는 포인터가 있는 것처럼,
이 포인터는 포인터이긴 한데, 변수 포인터라면 특정 클래스(=구조체)에 대한 오프셋에 매여 있다고 볼 수 있으며, 함수 포인터라면 특정 클래스의 멤버 함수로 소속된 함수만 가리킨다는 특수성을 지닌다.

그래서 한 클래스 안에 프로토타입이 일치하는(리턴값, 인자의 개수와 type들) 여러 멤버 함수들이 있으면 그것들 중 하나를 가리켜서 특정한 한 함수를 if나 switch..case 없이 계속 가리키면서 호출하게 할 수 있다. 이걸 이용해서 얼추 다형성까지 구현할 수 있다는 것이다.

또한 한 클래스 안에 동일한 타입을 지닌 여러 멤버에 대해서 일괄적으로 초기화를 해 줘야 할 때, 멤버 함수를 가리키는 포인터를 써서 이 일을 아주 generic하고 수월하게 할 수 있다.
MFC에서 message map도 매크로를 파헤쳐 보면 응당 pointer-to-member를 써서 구현되어 있다.

C++에서 추가된 클래스 멤버 함수는 굉장히 묘한 존재이다.
사실, C에서도 구조체에다가 함수 포인터를 갖다 둠으로써 obj.func() ptr->func() 같은 문법 자체가 불가능한 것은 아니다. 그런데 이 경우 ()를 생략함으로써 해당 함수의 주소를 간단하게 얻을 수 있은 반면, C++ 멤버 함수는 그렇게 할 수 없다. 그 멤버 함수는 그 클래스의 '인스턴스'에 소속되어 있으면서 그 클래스의 크기에 영향을 주는 존재가 아니기 때문이다. scope이라는 개념이 존재하고 this 값을 기본으로 받는 것만 빼면 위상은 오히려 전역 함수에 더 가깝다.

아예 개체와 함께 함수 호출 연산자 ()를 줘서 확실하게 호출을 하든가, 아니면 &Class::Function과 같은 형태로 pointer-to-member 값을 얻어 와서 자기 타입에 맞는 pointer-to-member에다가 그 주소를 대입만 수 있다. 일반 함수 포인터와는 달리 이렇게 얻어진 값은 곧바로 함수 호출을 할 수 없으며, 반드시 그 클래스에 해당하는 개체가 있어야 한다. 개체 뒤에다 .* 이라든가 ->* 연산자를 붙이면 되는데, 이때 .*나 ->*은 *까지 붙어서 완전히 한 연산자 토큰이기 때문에 둘 사이에 공백이 들어갈 수 없다.

또 하나 주의해야 하는 것은 C++의 연산자 우선 순위이다. (obj->*pfnFunc)(함수인자)처럼 함수 인자 앞에는 반드시 괄호가 들어가야 한다. 또한 우리 클래스 안이라고 해도 ->*나 .* 앞에서는 this를 생략할 수 없으며 반드시 붙여야 한다. 여러 모로 문법부터가 기괴하다는 것이다.
이 pointer-to-member의 타입은 공식적으로 void (Class::*)(함수인자) 이라 불린다. 이때, ::와 *은 서로 독립된 토큰이다.

그런데 pointer-to-member하고 가상 함수가 서로 만나면 이거 정말 골치아픈 문제가 발생하고 만다. 둘 다 다형성을 위해 존재하는 기능이며, 둘 다 구현하기 위해서 컴파일러가 프로그래머가 모르게 암시적으로 몰래 하는 일이 상당히 많은 기능들이다. 하지만, 결론부터 말하자면 이 두 기능은 서로 연동해서 사용할 수 없다. 이게 무슨 말인지를 지금부터 설명하겠다.

A라는 클래스가 있고 f라는 가상 함수를 정의했다. 그 후 A로부터 상속 받은 B라는 클래스는 f라는 가상 함수를 또 오버라이드했다.

그 후 A의 포인터 pf에 어떤 값이 들어왔다. 얘가 가리키는 값이 실제로 A인지, 아니면 A의 파생인 B인지는 알 수 없다.
이때,

if( &pf->f == &A::f ) puts("pf 개체는 A 타입");
else if( &pf->f == &B::f ) puts("pf 개체는 B 타입");

와 같은 형태로, 이 개체에 소속된 가상 함수의 주소를 판단함으로써 그 개체의 원래 타입을 판별할 수 있을까? 마치 C 언어 구조체의 멤버로 들어있는 함수 포인터를 비교하듯이, 가상 함수와 pointer-to-member 주소를 이런 식으로 연계할 수 있을까?

그럴 수가 없다는 뜻이다.
일단 클래스 멤버 함수의 pointer-to-member 주소를 되돌리는 방법 자체가 pf 같은 동적 바인딩을 허락하지 않는다.

그리고 더욱 나쁜 사실은, &A::f와 &B::f의 값 자체가 실제로 확인해 보면 동일하다는 것이다!
어떤 A 타입의 포인터가 있는데, pointer-to-member를 이용하여 어떨 때는 강제로 A::f를 호출하고, 어떨 때는 일부러 B::f를 호출하여 기반 클래스와 파생 클래스를 구분하는 것 자체가 불가능하다. 한 클래스 안에서 프로토타입이 같은 여러 수평적 함수들을 구분할 수는 있으나, 부모와 파생 클래스 사이의 수직적 관계가 존재하는 가상 함수는 전혀 구분할 수 없다.

사실은 이것이 원래 의도했던 C++ pointer-to-member의 동작 스펙이기도 하다. 가상 함수와 일반 함수를 구분하지 않고 그 위 계층에서 동작하게끔 말이다.

C++에서 가상 함수가 어떻게 구현되는지 대충 아는 분들도 있겠지만,
가상 함수가 생기면 사실 해당 클래스에 가상 함수들의 포인터가 당장 쭉 추가되는 게 아니라, 해당 클래스를 나타내는 가상 함수 포인터 배열이 하나 생기고, 이를 가리키는 '포인터'가 하나 추가된다. 즉,

ptr->nonVirtual(...) ==> globalFunc(this, ...) 가 일반 함수라면, 가상 함수는

ptr->virtualFunc(...) ==> ptr->vtbl->pfn[n](this, ...) 처럼 전개된다는 뜻.

그런데 pointer-to-member 함수는 매 타입에 대해서 vtbl의 값을 저장하고 있는 게 아니다.

virtualFunc_stub(this, ...)
{
        return this->vtbl->pfn[n](this, ...)
}

가상 함수의 address란 바로, ptr에 대해 가상 함수 테이블을 뒤져서 실제 가상 함수를 호출해 주는 "껍데기 함수"의 주소로 정적으로 고정되는 것이다! &A::f이든 &B::f이든 가리키는 주소는 바로 저기가 된다는 것이다. 이 일을 컴파일러가 몰래 슬쩍 해 준다.

그렇기 때문에 pointer-to-member 함수는 함수의 프로토타입만 일치한다면 일반이든 virtual이든 전혀 구분 없이 함수를 가리킬 수 있으며,
(pp->*pfn)(); 와 같은 문장은

004010C8 8B CE            mov         ecx,esi
004010CA FF D3            call        ebx

가리키는 대상이 virtual이든 아니든 관계없이 위와 같은 두 명령으로 간단히 번역된다. 실제 가상 함수 호출은 저 껍데기의 내부에서 이루어지니까.
pp->SayA(); 처럼 대놓고 가상 함수를 호출할 때는

004010CC 8B 16            mov         edx,dword ptr [esi]
004010CE 8B 02            mov         eax,dword ptr [edx]
004010D0 8B CE            mov         ecx,esi
004010D2 FF D0            call        eax 

테이블을 참조하는 오버헤드가 해당 코드에서 바로 이뤄지는 것과 좋은 대조를 이루는 셈이다.

따라서 이 함수가 어느 가상 함수를 가리키는지는, 문서화되지 않은 컴파일러 꽁수라든가 어셈블러 같은 지저분한 방법을 동원하지 않고서는 알 수 없다는 것이 결론이 되겠다. pointer-to-member의 동작은 가상 함수의 영향을 받지 않는다.

그런데, 가상 함수는 그나마 이런 식으로 극복해서 일관성을 얻었다지만, 가상 상속, 다중 상속 같은 극악한 C++만의 기능과 마주치면(요즘 언어들은 채택도 안 하고 있는), pointer-to-member 구현의 복잡도는 그야말로 GG 치는 경지에 다다른다.

결국 자기가 가리키는 함수뿐만 아니라 기반 클래스처럼 그 클래스와 관련된 다른 정보도 들어가야 하기 때문에, machine word(통상 4 또는 8바이트) 단위 크기보다 크기가 더 커지게 된다! this 포인터도 막 왔다갔다 해야 하므로.
그런 클래스에서 멤버 포인터가 구체적으로 어떻게 구현되며 잉여 데이터가 어떻게 활용되는지는 본인도 잘 모르겠다.. -_-;; () [] * 가 막 뒤섞인 복잡한 타입을 바로 읽고 쓰는 것만큼이나 도저히 이해를...;;;

더구나, forward 선언만 해 놓은 클래스인 경우, 이 클래스의 pointer-to-member는 4바이트 크기로만 잡아도 될지, 아니면 더 커야 할지를 알 수 없기 때문에 일단 최악의 경우를 가정하여 엄청 큰 사이즈가 잡힌다. 같은 포인터가 클래스 몸체의 선언 전과 후에 계산되는 크기가 달라진다는 뜻이다. (차라리 몸체가 없는 클래스의 멤버 포인터는 크기를 계산할 수 없다고 컴파일 에러를 내뱉는 게 더 낫겠다 -_-)

pointer-to-member는 꼭 필요는 하지만 이렇게 지저분한 존재가 되어 있다.
C++ 다음 표준에서는 이것도 뭔가 문법이 바뀔 거라는 식으로 들은 것 같기도 한데 잘 모르겠다. 가령, 이제 true, false도 꽤 오래 전에 정식 예약어로 추가가 됐는데, 0말고 NULL 포인터만을 가리키는 nil 같은 키워드도 type-safety를 위해서라면 좀 있어야 않나 싶다. 사실, C++이 오버로딩이 가능해지면서 타입 구분 강화 쪽으로 개선이 많이 되어 왔으며, explicit도 type-safety 보장을 위해서 추가된 키워드이다.

차라리 함수 포인터는 껍데기 함수 만들지 말고 그 함수 실체만 바로 가리키게 하면 영 안 되려나?? 지금처럼 해 놓은 이유가 있는지 잘 모르겠다.

Posted by 사무엘

2010/01/11 10:13 2010/01/11 10:13
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