오늘은 C++에서 기초적이면서도 아주 심오하고 기괴한 문법 중 하나인 연산자 오버로딩에 대해서 좀 살펴보도록 하자.
정수, 포인터 같은 기본 자료형뿐만 아니라 사용자가 만든 임의의 개체도 연산자를 통해 조작할 수 있으면 천편일률적인 함수 호출 형태보다 코드가 더 깔끔하고 보기 좋아지는 효과가 있다. 물론, 아무 논리적 개연성 없이 오버로딩을 남발하면 코드를 알아보기 힘들어지겠지만 말이다.
C++은 연산자 오버로딩을 위해 operator라는 키워드를 제공한다. 그리고 개체에 대한 연산자 적용은 연산자 함수를 호출하는 것과 문법상 동치이다(syntactic sugar). 가령, a+b는 a.operator +(b) 또는 ::operator +(a,b)와 동치라는 뜻이다. 연산자 함수는 표준 규격이 없이 C++ 컴파일러마다 제각각으로 제정한 방식으로 심벌 명칭이 인코딩된다.
앞에서 예를 들었듯이 연산자 함수는 클래스에 소속될 수도 있고, 특정 클래스에 소속되지 않은 중립적인 전역 함수로 선언될 수도 있다. 클래스의 멤버 함수인 경우 this가 선행 피연산자에 포함된 것으로 간주되어 함수의 인자 개수가 하나 줄어든다. 연산자 함수는 명백한 특성상 default 인자를 갖는 게 허용되지 않는다.
한 클래스와 관련된 처리는 당연히 가능한 한 클래스의 내부에서 다 알아서 하는 게 좋다. 그러니 전역 함수 형태의 연산자 함수는 이항 연산자에서 우리 타입이 앞이 아니라 뒤에 나올 때 정도에나 필요하다. 가령, obj+1이 아니라 1+obj 같은 형태일 때 말이다. 그리고 이 전역 함수는 당연히 클래스의 내부에 접근이 가능해야 연산을 수행할 수 있을 것이므로 보통 friend 속성이 붙는다.
연산자가 클래스 함수와 전역 함수 형태로 모두 존재할 경우엔 모호성 에러가 나는 게 아니라 전역 함수가 우선적으로 선택되는 듯하다. a+b에 대해서 ::operator +(a,b)와 a.operator +(b)가 모두 존재하면 전자가 선택된다는 뜻. 언어의 설계가 원래 그렇게 된 건지는 잘 모르겠다.
본인은 연산자 오버로딩을 다음과 같은 양상으로 분류해 보았다.
1. 쉽고 직관적인 오버로딩
(1) 사칙연산, 대입, 비교, 형변환 정도가 여기에 속한다. 기본 중의 기본이다.
사칙연산을 재정의함으로써 C++에서도 문자열을 +를 써서 합치는 게 가능해졌다(동적 메모리 관리까지 하면서). 그리고 복소수, 유리수, 벡터 같은 복합적인 수를 표현하는 자료형을 만들 수 있게 되었다.
(2) 내부적으로 포인터 같은 외부 리소스를 참조하고 있기 때문에 단순 memcpy, memcmp 알고리즘으로는 대입이나 비교를 할 수 없는 클래스의 경우, 해당 연산자의 오버로딩이 필수이다. 이 역시 문자열 클래스가 좋은 예이다. 대입 연산자는 복사 생성자와도 비슷한 구석이 있다.
대입 연산자는 생성자와 역할이 비슷하다는 특성상, 연산자들 중 상속이 되지 않는다. 모든 클래스들은 상속에 의존하지 말고 자신만의 대입 연산자를 갖추고 있어야 한다는 뜻이다. 단, 순수 대입인 = 말고 +=, -= 같은 부류들은 상속됨.
(3) 비교 연산은 같은 클래스에 속하는 여러 원소들을 다른 컨테이너 클래스에다 집어넣어서 순서대로 나열해야 할 때 매우 요긴하게 쓰인다. 전통적인 C 스타일의 비교 함수보다 훨씬 더 직관적이다.
(4) 형변환 연산자야 상황에 따라 어떤 개체의 형태를 카멜레온처럼 바꿔 주고 개체의 사용 호환성을 높여 주는 기능이다. 포인터나 핸들 하나로만 달랑 표시되는 자료형에 대해서 자동으로 메모리 관리를 하고 여러 편의 기능을 수행하는 wrapper 클래스를 만든다면, 본디 자료형과 나 자신 사이의 호환성을 이런 형변환 연산자로 표현할 수 있다.
문자열 클래스는 const char/wchar_t * 같은 재래식 문자 포인터로 자신을 자동 변환하는 기능을 제공하며, MFC의 CWnd도 이런 맥락에서 HWND 형변환을 지원하는 것이다.
(5) 한편, 비트 연산자는 산술 연산보다야 쓰이는 빈도가 아무래도 낮다. 비트 벡터나 집합 같은 걸 표현하는 클래스를 만드는 게 아닌 이상 말이다.
단, 뭔가 직렬화 기능을 제공하는 스트림 개체들이 << >>를 오버로딩한 것은 굉장히 적절한 선택인 것 같다. MFC의 CArchive라든가 C++의 iostream 말이다. input, output이라는 방향성을 표현할 수 있고 또 비트 shift라는 개념 자체가 뭔가 '이동, 입출력'이라는 심상과 잘 맞아떨어지기 때문이다.
다른 연산자들보다 적당히 우선순위가 낮은 것도 장점. 하지만 산술 연산 말고 비교나 비트 연산자는 <<, >>보다도 우선순위가 낮으므로 사용할 때 유의할 필요가 있다.
2. 아까 것보다는 좀 더 생소하고 어려운 오버로딩
(1) 필요한 경우, operator new와 operator delete를 오버로딩할 수 있다. 물론, 객체를 생성하고 소멸하는 new/delete 본연의 기능을 완전히 뒤바꿀 수는 없지만, 이 연산자가 하는 일 중에 메모리를 할당하여 포인터를 되돌리는 기능 정도는 바꿔치기가 가능하다는 뜻이다. C/C++ 라이브러리가 기본 제공하는 heap이 아닌 특정 메모리 할당 함수를 써서 특정 메모리 위치에다가 객체를 배체하고 싶을 때 말이다.
특히 new/delete는 여러 개의 인자를 받을 수 있는 유일한 연산자 함수이다. size_t 형태로 정의되는 메모리 크기 말고 다른 인자도 받는 다양한 버전을 만들어서 new(arg) Object; 형태의 문법을 만들 수 있으며, 이때 arg는 Object의 생성자가 아니라 operator new라는 함수에다 전달된다. (delete 연산자는 어떤지 잘 모르겠다만..;;)
그리고 이놈은 전역 함수와 클래스 멤버 함수 모두 가능하다. 클래스 멤버 함수일 때는 굳이 static을 붙이지 않아도 이놈은 static이라고 간주된다. 당연히.. malloc/free 함수의 C++ 버전인데 this 포인터가 전혀 의미가 없는 문맥이기 때문이다..
사실, C++은 단일 개체를 할당하는 new/delete와 개체의 배열을 할당하는 new []/delete []도 구분되어 있다. 후자의 경우, 생성자나 소멸자 함수를 정확한 개수만치 호출해야 하기 때문에 배열 원소의 개수를 몰래 보관해 놓을 공간도 감안하여 메모리가 할당된다.
그러나 이것은 언제까지나 컴파일러가 알아서 계산을 하는 것이기 때문에 배열이냐 아니냐에 따라서 메모리 할당/해제 함수의 동작이 딱히 달라져야 할 것은 없다. 굳이 둘을 구분해야 할 필요가 있나 모르겠다.
(2) ++, --는 정수나 포인터 같은 아주 간단한 자료형과 어울리는 단항 연산자이다. 그런데 개체의 내부 상태를 한 단계 전진시킨다거나 할 때... 가령, 연결 리스트 같은 자료형에서 iterator를 다음 노드로 이동시키는 것을 표현할 때는 요런 물건이 유용하다. 난 파일 탐색 함수를 클래스로 만들면서 FindNextFile 함수 호출을 해당 클래스에 대한 ++ 연산으로 표현한 적이 있다. ㅎㅎ
++, --는 전위형(prefix ++a)과 후위형(postfix a++)이 둘 존재한다. 후위형 연산자 함수는 전위형 연산자 함수에 비해 잉여 인자 int 하나가 추가로 붙는다. 그리고 후위형 연산자는 자신의 상태는 바꾸면서 바뀌기 전의 자기 상태를 담고 있는 임시 객체를 되돌려야 하기 때문에 처리의 오버헤드가 전위형보다 더 크다. 아래의 코드를 참고하라.
A& A::operator++() //++a. a+=1과 동일하다.
{
increment_myself();
return *this;
}
A A::operator++(int) //a++.
{
A temp(*this);
increment_myself();
return temp;
}
보다시피, 전위형과 후위형의 실제 동작 방식은 전적으로 관행에 따른 것이다. 전위형이 후위형처럼 동작하고 후위형이 전위형처럼 반대로 동작하게 하는 것도 프로그래머가 마음만 먹으면 엿장수 마음대로 얼마든지 가능하다.
정수의 경우 프로그래머가 for문 같은 데서 a++이라고 쓴다 해도 똑똑한 컴파일러가 굳이 임시 변수 안 만들고 ++a처럼 최적화를 할 수 있다. 그러나 사용자가 오버로딩한 연산자는 실제 용례가 어찌 될지 알 수 없으므로 컴파일러가 선뜻 최적화를 못 할 것이다.
일반적으로 a=a++의 실행 결과는 컴파일러의 구현 내지 최적화 방식에 따라 들쭉날쭉 달라지는 것으로 잘 알려져 있다. (당장 비주얼 C++와 xcode부터가 다르다!) 또한 a가 일반 정수일 때와, 클래스일 때도 동작이 서로 달라진다. 이식성은 완전히 안드로메다로 간다는 뜻 되겠다. 더구나 한 함수 호출의 인자 안에서 a와 a++이 동시에 존재하는 경우, 어떤 값이 들어가는지는 같은 컴파일러 안에서도 debug/release 빌드에 따라 차이가 생길 수 있으므로 이런 모호한 코드는 작성하지 않아야 한다.
(3) 포인터를 역참조하는 연산자인 * ->는 원래는 포인터가 아닌 일반 개체에 대해서 쓰일 수 없다. 그러나 C++은 이런 연산자를 오버로딩함으로써 인위적인 '포인터 역참조' 단계를 만들 수 있으며, 이로써 포인터가 아닌 개체를 마치 포인터처럼 취급할 수 있다. 형변환 연산자와 비슷한 역할을 하는 셈이다.
C++ STL의 iterator가 좋은 예이고, COM 포인터를 템플릿 형태로 감싸는 smart pointer도 .을 찍으면 자신의 고유한 함수를 호출하고, ->를 찍으면 자신이 갖고 있는 인터페이스의 함수를 곧장 호출하는 형태이다.
-> 연산자는 전역 함수가 아니라 인자가 없는 클래스 멤버 함수 형태로 딱 하나만 존재할 수 있다. 다음 토큰으로는 구조체나 클래스의 멤버 변수/함수가 와야 하기 때문에 리턴 타입은 구조체나 클래스의 포인터만이 가능하다.
(4) []도 재정의 가능하고 심지어 함수 호출을 나타내는 ()조차도 연산자의 일종으로서 재정의 가능하다!
[]의 경우 클래스가 포인터형으로의 형변환을 제공한다면 정수 인덱스의 참조는 컴파일러가 자동으로 알아서 그 포인터의 인덱스 참조로 처리한다. 그러나 [] 연산자 함수는 굳이 정수를 받지 않아도 되기 때문에 특히 hash 같은 자료구조를 만들 때 mapObject[ "H2O" ] = "산소"; 같은 구문도 가능해진다. 단, 진짜 고급 언어들처럼 인자를 여러 개 줄 수는 없다. map[2, 5] = 100; 처럼 할 수는 없다는 뜻.
()도 사정이 비슷한지라, 클래스가 함수 포인터로의 형변환을 제공한다면 굳이 () 연산자를 재정의하지 않아도 개체 다음에 곧장 ()를 붙이는 게 가능은 하다. 그러나 그 함수 포인터는 this 포인터가 없는 반면, () 연산자 함수는 this를 갖는 엄연한 멤버 함수이다.
함수 포인터로의 형변환 연산자 함수는 언어 문법 차원에서 토큰 배열의 한계 때문에 대상 타입을 typedef로 먼저 선언해서 한 단어로 만들어 놔야 한다.
Posted by 사무엘
