Chapter 6. 객체지향 프로그래밍 I
1. 객체지향언어
[ 객체지향언어의 주요 특징 ]
- 코드의 재사용성이 높다.
새로운 코드를 작성할 때 기존의 코드를 이용하여 쉽게 작성할 수 있다. - 코드의 관리가 용이하다.
코드간의 관계를 이용해서 적은 노력으로 쉽게 코드를 변경할 수 있다. - 신뢰성이 높은 프로그래밍을 가능하게 한다.
제어자와 메서드를 이용해서 데이터를 보호하고 올바른 값을 유지하도록 하며, 코드의 증복을 제거하여 코드의 불일치로 인한 오작동을 방지할 수 있다.
객체지향개념을 학습할 때 1) 재사용성과 2) 유지보수, 3) 중복된 코드의 제거라는 세 가지 관점에서 보면 보다 쉽게 이해할 수 있다.
2. 클래스와 객체
클래스의 정의 : 클래스란 객체를 정의해 놓은 것이다.
클래스의 용도 : 클래스는 객체를 생성하는데 사용된다.
프로그래밍에서의 객체는 클래스에 정의된 내용대로 메모리에 생성된 것을 뜻한다.
클래스로부터 객체를 만드는 과정을 인스턴스화(instantiate)라고 하며, 어떤 클래스로부터 만들어진 객체를 그 클래스의 인스턴스(instance)라고 한다.
객체는 모든 인스턴스를 대표하는 포괄적인 의미를 갖고 있고, 인스턴스는 어떤 클래스로부터 만들어진 것인지를 강조하는 보다 구체적인 의미를 가지고 있다.
ex) 책상은 인스턴스다(X), 책상은 객체다(O), 책상은 책상 클래스의 인스턴스다(O)
클래스 ───(인스턴스화)───> 인스턴스(객체)
객체가 가지고 있는 속성과 기능을 그 객체의 멤버(구성원, member)라고 한다.
속성(property) = 멤버 변수(member variable), 특성(attribute), 필드(field), 상태(state)
기능(function) = 메서드(method), 함수(function), 행위(behavior)
▼ 인스턴스를 생성하는 방법
클래스명 변수명; // 클래스의 객체를 참조하기 위한 참조변수를 선언
변수명 = new 클래스명(); // 클래스의 객체를 생성한 후, 객체의 주소를 참조변수에 저장
// 예시
TV t;
t = new TV();
인스턴스는 참조변수를 통해서만 다룰 수 있으며, 참조변수의 타입은 인스턴스의 타입과 일치해야 한다.
또한 같은 클래스에서 생성되었을지라도 각 인스턴스의 속성(멤버변수)은 서로 다른 값을 유지할 수 있으며, 메서드의 내용은 모든 인스턴스에 대해 동일하다.
참조변수가 하나도 없는 인스턴스는 더 이상 사용되어질 수 없으므로 '가비지 컬렉터(Garbage Collector)'에 의해서 자동적으로 메모리에서 제거된다.
참조변수에는 하나의 값(주소)만이 저장될 수 있으므로 하나의 참조변수로 여러 개의 인스턴스를 가리키는 것은 불가능하다.
객체 역시 배열로 다룰 수 있으며, 객체 배열 안에는 객체가 저장되는 것이 아니라 객체의 주소가 저장된다. 즉, 객체 배열은 참조변수들을 하나로 묶은 참조 변수 배열이라 할 수 있다.
단, 객체 배열을 생성하는 것은 참조 변수만 생성했을 뿐 아직 객체를 생성하지 않았기 때문에 각 배열마다 객체를 따로 생성해주어야 한다. 아래 코드는 그 예시다.
Tv[] tvArr = new Tv[3];
tvArr[0] = new Tv();
tvArr[1] = new Tv();
tvArr[2] = new Tv();
Tv[] tvArr = {new Tv(), new TV(), new TV()};
Tv[] tvArr = new Tv[100];
for (int i = 0; i < tvArr.length; i++) {
tvArr[i] = new Tv();
}
다른 배열과 마찬가지로 객체 배열도 같은 타입의 객체만 저장할 수 있다.
[ 데이터 저장형태의 발전과정 ]
- 변수(variable) : 하나의 데이터를 저장할 수 있는 공간
- 배열(array) : 같은 종류의 여러 데이터를 하나의 집합으로 저장할 수 있는 공간
- 구조체(structure) : 서로 관련된 여러 데이터를 종류에 관계없이 하나의 집합으로 저장할 수 있는 공간
- 클래스(class) : 데이터와 함수의 결합(구조체 + 함수)
프로그래밍언어에서 제공하는 자료형(primitive type) 외에 프로그래머가 서로 관련된 변수들을 묶어서 하나의 타입으로 새로 추가하는 것을 사용자 정의 타입(user-defined type)이라고 부른다. 자바에서는 클래스가 곧 사용자 정의 타입이다. 또한 데이터에 대해 추가적인 제약조건이 들어갈 경우, 클래스는 제어자와 메서드를 통해 조건들을 코드에 반영할 수 있다.
3. 변수와 메서드
변수는 선언되는 위치에 따라 변수의 종류가 달라진다.
멤버변수를 제외한 나머지 변수들은 모두 지역 변수이며, 멤버변수 중 static이 붙은 것은 클래스변수, 붙지 않은 것은 인스턴스 변수이다.
▼ 변수의 종류와 특징
변수의 종류 | 선언위치 | 생성시기 |
클래스 변수 (class variable) |
클래스 영역 | 클래스가 메모리에 올라갈 때 |
인스턴스 변수 (instance variable) |
인스턴스가 생성되었을때 | |
지역 변수 (local variable) |
클래스 영역 이외의 영역 (메서드, 생성자, 초기화 블럭 내부) |
변수 선언문이 수행되었을 때 |
클래스 변수는 앞에 static을 붙이기만 하면 된다.
인스턴스마다 독립적인 저장공간을 갖는 인스턴스 변수와 달리, 클래스 변수는 모든 인스턴스가 공통된 저장공간(변수)을 공유하게 된다. 한 클래스의 모든 인스턴스들이 공통적인 값을 유지해야 하는 속성의 경우, 클래스 변수로 선언해야 한다.
클래스 변수는 인스턴스를 생성하지 않고도 바로 사용이 가능하며, '클래스이름.클래스변수'와 같은 형식으로 사용한다.
클래스가 메모리에 '로딩(loading)'될 때 생성되어 프로그램이 종료될 때까지 유지되며, public을 앞에 붙이면 같은 프로그램 내에서 어디서나 접근할 수 있는 '전역변수(global variable)'의 성격을 갖는다.
ex) 트럼프 카드 클래스에서 카드의 너비, 높이는 모든 카드가 동일하므로 클래스 변수다.
인스턴스 변수의 값을 읽어 오거나 저장하기 위해서는 인스턴스를 생성해야 한다.
인스턴스는 독립적인 저장공간을 가지기 때문에, 클래스마다 서로 다른 인스턴스 변수의 값을 가질 수 있다. 인스턴스마다 고유한 상태를 유지해야 하는 속성의 경우, 인스턴스 변수로 선언한다.
ex) 트럼프 카드 클래스에서 카드의 숫자, 무늬는 각 카드마다 다르므로 인스턴스 변수다.
지역 변수는 메서드 내에 선언되어 메서드 내에서만 사용 가능하며, 메서드가 종료되면 소멸되어 사용할 수 없게 된다.
for문 또는 while문의 블럭 내에서 선언된 지역변수는, 지역변수가 선언된 블럭{ } 내에서만 사용 가능하며, 블럭{ }을 벗어나면 소멸되어 사용할 수 없게 된다.
[ 메서드를 사용하는 이유 ]
- 높은 재사용성(reusability)
- 중복된 코드의 제거
- 프로그램의 구조화
main메서드는 프로그램의 전체 흐름이 한눈에 들어올 정도로 단순하게 구조화하는 것이 좋다.
처음에 프로그램을 설계할 때 내용이 없는 메서드를 작업단위로 만들어 놓고, 하나씩 완성해나가는 것도 프로그램을 구조화하는 좋은 방법이다.
메서드는 크게 '선언부(header, 머리)'와 '구현부(body, 몸통)'로 이루어져 있다.
▼ 메서드의 구조
반환타입 메서드이름 (타입 변수명, 타입 변수명, ...) {
// 메서드 호출 시 수행될 코드
}
int add(int a, int b) {
int result = a + b;
return result;
}
메서드의 반환타입이 void가 아닌 경우, 구현부{ } 안에는 반드시 'return 반환값;'이 포함되어 있어야 한다. 이때 반환값은 반환타입과 일치하거나 적어도 자동형변환이 가능한 것이어야 한다.
이때 return문은 단 하나의 값만 반환할 수 있다.return 문이 실행되면 현재 실행중인 메서드를 종료하고 호출한 메서드로 되돌아간다. 반환 타입이 void인 경우에는 return문을 따로 적지 않더라도 컴파일러가 메서드의 마지막에 'return;'을 자동적으로 추가해준다.
메서드를 호출할 때에는 인자의 개수와 순서, 그리고 타입이 메서드에 선언된 매개변수와 일치해야 한다. 이때, 만약 입력한 타입이 메서드에 선언된 타입보다 작을 경우 자동으로 형변환이 진행된다.
메서드이름(값1, 값2, ...); // 메서드를 호출하는 방법
print99danAll(); // void print99danAll()을 호출
int result = add(3, 5); // int add(int x, int y)를 호출하고, 결과를 result에 저장
같은 클래스 내의 메서드끼리는 참조변수를 사용하지 않고도 서로 호출이 가능하지만, static메서드는 같은 클래스 내의 인스턴스 메서드를 호출할 수 없다.
▼ JVM의 메모리 구조
주요 영역 | 저장 |
메서드 영역(Method Area) | 클래스 데이터, 클래스 변수 |
호출 스택(Call Stack) : 스택 구조(가장 위에 있는 메서드가 현재 실행중=나중에 들어옴) |
메서드의 작업에 필요한 메모리 공간 제공 메서드가 작업을 수행하는 동안 지역변수들과 연산의 중간결과 등을 저장하는 데 사용 메서드가 작업을 마치면 할당되었던 메모리 공간은 반환 |
힙(Heap) | 인스턴스, 인스턴스 변수 |
기본형 매개변수 : 변수의 값을 읽기만 할 수 있다(read only)
참조형 매개변수 : 변수의 값을 읽고 변경할 수 있다(read & wirte)
class Data { int x; }
class PrimitiveParmEx {
public static void main(String[] args) {
Data d = new Data();
d.x = 10;
System.out.println("main() : x = " + d.x);
change(d.x);
System.out.println("After change(d.x)");
System.out.println("main() : x = " + d.x);
}
static void change(int x) { // 기본형 매개변수
x = 1000;
System.out.println("change() : x = " + x);
}
}
위 코드의 경우, change 메서드에서 매개변수로 기본형 변수를 받고 있기 때문에 실제로 참조변수 d에 저장된 x의 값이 변경되지 않는다. 하지만 만약 기본형이 아닌 참조형 매개변수로 바꿀 경우, 실제로 값은 변경된다. 참조형 매개변수는 참조배열 매개변수도 이용 가능하다.
이러한 참조형 매개변수를 활용하면 반환값이 없어도 메서드의 실행결과를 얻어올 수 있다.
아래는 참조형으로 매개변수를 변경한 코드다.
class Data { int x; }
class PrimitiveParmEx {
public static void main(String[] args) {
Data d = new Data();
d.x = 10;
System.out.println("main() : x = " + d.x);
change(d);
System.out.println("After change(d)");
System.out.println("main() : x = " + d.x);
}
static void change(Data d) { // 참조형 매개변수
d.x = 1000;
System.out.println("change() : x = " + d.x);
}
}
매개변수 뿐만 아니라 반환타입도 참조형이 될 수 있다. 반환 타입이 '참조형'이라는 것은 메서드가 '객체의 주소'를 반환한다는 것을 의미한다.
이 경우, 참조형 매개변수는 매개변수로 입력한 변수의 값을 변경했다면, 반환 타입의 경우에는 반환하는 값을 변경할 수 있다. 아래는 그 예시다.
class Data { int x; }
class ReferenceReturnEx {
public static void main(String[] args) {
Data d = new Data();
d.x = 10;
Data d2 = copy(d);
System.out.println("d.x = " + d.x);
System.out.println("d2.x = " + d2.x);
}
static Data copy(Data d) {
Data tmp = new Data();
tmp.x = d.x;
return tmp;
}
}
메서드의 내부에서 메서드 자신을 다시 호출하는 것을 '재귀호출(recursive call)'이라 하고, 재귀호출을 하는 메서드를 '재귀 메서드'라 한다.
▼ 재귀 메서드의 구조
void method() {
method(); // 재귀호출. 메서드 자신을 호출한다.
}
호출된 메서드는 '값에 의한 호출(call by value)'을 통해, 원래의 값이 아닌 복사된 값으로 작업하기 때문에 호출한 메서드와 관계없이 독립적인 작업수행이 가능하다. 그러나 오로지 재귀호출 뿐이라면 무한반복문이 되기 때문에, 재귀호출에는 조건문이 필수적이다. 또한 return문을 통해 재귀호출을 빠져나올 수 있어야 한다.
재귀호출은 반복문보다 수행시간이 더 오래 걸리지만, 재귀호출의 논리적 간결함 때문에 재귀호출을 사용하기도 한다.
재귀호출의 예시로는 팩토리얼(factorial) 연산이 있으며, 교재 p.271-273에 코드와 설명이 적혀 있다.
만약 재귀호출이 100000과 같이 큰 반복 호출을 거듭할 경우, 메서드가 종료되지 않으므로 스택에 데이터만 계속 쌓이게 된다. 어느 시점에 이르러서는 스택의 저장한계를 넘게 도고, '스택오버플로우 에러(Stack Overflow Error)'가 발생하게 된다. 따라서 매개변수의 유효성 검사가 중요하다.
이 외에도 2의 제곱을 계산하는 코드(교재 p.276)이 예제로 나와 있다.
클래식 메서드도 클래식 변수처럼 메서드 앞에 static이 붙어있으며, 객체를 생성하지 않고도 '클래스이름.메서드이름(매개변수)'와 같은 식으로 호출이 가능하다. 클래식 메서드는 인스턴스 변수를 사용할 수 없기 때문에 인스턴스와 관계없는(인스턴스 변수나 인스턴스 메서드를 사용하지 않는) 메서드를 클래식 메서드로 호출한다.
인스턴스 메서드는 인스턴스 변수처럼 반드시 객체를 생성해야만 호출할 수 있다. 인스턴스 메서드는 인스턴스 변수와 관련된 작업을 하는, 즉 메서드의 작업을 수행하는데 인스턴스 변수를 필요로 하는 메서드이다.
인스턴스 멤버가 존재하는 시점에 클래스 멤버는 항상 존재하지만, 클래스 멤버가 존재하는 시점에 인스턴스 멤버가 존재하지 않을 수 있다. 따라서 클래스 멤버는 인스턴스 멤버를 참조 또는 호출하려는 경우, 인스턴스를 생성해야 한다. 클래스 멤버가 클래스 멤버를 호출하거나, 인스턴스 멤버가 인스턴스 멤버 혹은 클래스 멤버를 호출하는 경우에는 문제가 발생하지 않는다.
4. 오버로딩(overloading)
한 클래스 내에 같은 이름의 메서드를 여러 개 정의하는 것을 '메서드 오버로딩(method overloading)' 또는 간단히'오버로딩(overloading)'이라고 한다.
[ 오버로딩이 성립하는 조건 ]
- 메서드 이름이 같아야 한다.
- 매개변수의 개수 또는 타입이 달라야 한다.
반환 타입은 오버로딩을 구현하는데 아무런 영향을 주지 못한다.
오버로딩은 메서드를 각기 다른 이름으로 짓고 기억할 필요가 없도록 만들어 메서드의 이름을 절약할 수 있다.
기존에는 메서드의 매개변수 개수가 고정적이었으나 JDK 1.5부터 동적으로 지정해줄 수 있게 되었으며, 이러한 기능을 '가변인자(variable arguments)'라고 한다.
가변인자는 '타입... 변수명'과 같은 형식으로 선언하며, PrintStream 클래스의 printf()가 대표적인 예이다.
public PrintStream printf(String format, Object... args) { ... }
가변인자는 항상 매개변수의 마지막에 와야 한다. 그렇지 않을 경우 컴파일 에러가 발생한다. 가변인자인지 아닌지를 구별할 방법이 없기 때문이다.
가변인자로 매개변수를 선언했을 경우, 매개변수의 개수는 0개여도 가능하며, 아예 배열도 가능하다. 단, 매개변수를 배열로 할 경우 반드시 인자를 지정해줘야 하기 때문에 인자의 생략이 불가능해진다. 아래 코드는 가변인자와 배열의 비교를 나타내고 있다.
String concatenate(String... str) { ... } // 가변인자
System.out.println(concatenate()); // 인자가 없음(가능)
System.out.println(concatenate("a")); // 인자가 하나
System.out.println(concatenate("a", "b")); // 인자가 둘
System.out.println(concatenate(new String[]{"A", "B"})); // 배열도 가능
String concatenate(String str) { ... } // 인자를 지정해줘야 함
String result = concatenate(new String[0]); // 인자로 배열을 지정
String result = concatenate(null); // 인자로 null을 지정
String result = concatenate(); // 에러. 인자가 필요함.
가변인자를 사용한 메서드는 가급적 오버로딩 하지 않는 것이 좋은데, 그 이유는 오버로딩 된 메서드끼리 서로 구분이 되지 않기 때문이다.
5. 생성자(constructor)
생성자는 인스턴스가 생성될 때 호출되는 '인스턴스 초기화 메서드'이다. 따라서 인스턴스 변수의 초기화 작업에 주료 사용되며, 인스턴스 생성 시에 실행되어야 할 작업을 위해서도 사용된다.
[ 생성자의 특징 ]
- 생성자의 이름은 클래스의 이름과 같아야 한다.
- 생성자는 리턴 값이 없다.
생성자가 리턴 값이 없다고 해서 앞에 void가 붙지 않는다.
▼ 생성자의 정의
클래스이름 (타입 변수명, 타입 변수명, ...) {
// 인스턴스 생성 시 수행될 코드,
// 주로 인스턴스 변수의 초기화 코드를 적는다.
}
// 생성자 예시
class Card {
Card(){ // 매개변수가 없는 생성자
...
}
Card(String k, int num){ // 매개변수가 있는 생성자
...
}
...
}
주의해야 할 것은 연산자 new가 인스턴스를 생성하는 것이지, 생성자가 인스턴스를 생성하는 것은 아니다. 쉽게 말하자면 지금까지 인스턴스를 생성하기 위해 new 뒤에 사용해왔던 클래스이름()이 생성자라고 할 수 있다.
또한 생성자 역시 오버로딩이 가능하기 때문에 하나의 클래스에 여러 개의 생성자가 존재할 수 있다.
모든 클래스에는 반드시 하나 이상의 생성자가 정의되어 있어야 하며, 기본적으로 컴파일러가 클래스 내에 생성자가 하나도 없을 경우 '기본 생성자(default constructor)'를 제공한다. 즉, 이미 생성자가 클래스 내에 존재할 경우에는 기본 생성자가 따로 추가되지 않는다.
기본 생성자의 경우 블록{ } 안에 아무 것도 들어가 있지 않으며, 매개변수도 존재하지 않는다. 특별히 인스턴스 초기화 작업이 요구되지 않는다면 생성자를 정의하지 않고 기본 생성자를 사용해도 괜찮다.
기본 생성자는 아래의 코드와 같다.
// 기본 생성자
클래스이름() { }
// 기본 생성자 예시
Card() { }
같은 클래스의 멤버들 간에 서로 호출할 수 있는 것처럼, 생성자 간에도 서로 호출이 가능하다.
[ 생성자를 호출하는 조건 ]
- 생성자의 이름으로 클래스이름 대신 this를 사용한다.
- 한 생성자에서 다른 생성자를 호출할 때는 반드시 첫 줄에서만 호출이 가능하다.
생성자 내에서 초기화 작업 도중에 다른 생성자를 호출할 경우, 이전의 작업이 무의미해지기 때문
한 생성자에서 다른 생성자를 호출하는 경우에는 멤버 변수 중 한 가지 조건만 만족되었을 때 등의 경우, 다른 조건들을 초기화해주기 위해 사용하기도 한다. 이런식으로 유기적인 연결을 할 경우 유지보수가 쉬워진다.
this는 인스턴스 자신을 참조로 가리키기 때문에 멤버만 사용할 수 있다. static 멤버는 this를 사용할 수 없다.
this : 인스턴스 자신을 가리키는 참조변수, 인스턴스의 주소가 저장되어 있다. 모든 인스턴스메서드에 지역변수로 숨겨진 채로 존재한다.
this(), this(매개변수) : 생성자, 같은 클래스의 다른 생성자를 호출할 때 사용한다.
현재 사용하고 있는 인스턴스와 같은 상태를 갖는 인스턴스를 하나 더 만들고자 할 때 생성자를 이용할 수 있다. 두 인스턴스가 같은 상태를 갖는다는 것은 두 인스턴스의 모든 인스턴스 변수(상태)가 동일한 값을 갖고 있다는 것을 의미한다.
아래의 코드는 인스턴스 복사를 위한 생성자다.
class Car {
String color;
String gearType;
int door;
Car() {
this("white", "auto", 4);
}
Car(Car c){
color = c.color;
gearType = c.gearType;
door = c.door;
}
Car(String color, String gearType, int door) {
this.color = color;
this.gearType = gearType;
this.door = door;
}
}
class CarTest3 {
public static void main(String[] args) {
Car c1 = new Car();
Car c2 = new Car(c1); // c1의 복사본 c2를 생성한다.
}
}
단, 이 경우 서로 같은 상태를 갖지만 서로 독립적으로 메모리 공간에 존재하는 별도의 인스턴스이므로, c1의 값이 변경되어도 c2는 영향을 받지 않는다.
6. 변수의 초기화
멤버변수는 초기화를 하지 않아도 자동적으로 변수의 자료형에 맞는 기본값으로 초기화가 이루어지지만, 지역변수는 사용하기 전에 반드시 초기화 해야한다.
[ 멤버변수의 초기화 방법 ]
- 명시적 초기화(explicit initialization)
: 클래스의 내부에서 변수의 선언과 동시에 초기화하는 것 - 생성자(constructor)
- 초기화 블럭(initialization block)
:단순히 클래스 내에 블럭{ }을 만들고 그 안에 코드를 작성하면 된다. 초기화 블럭 내에는 조건문, 반복문, 예외처리문 등을 자유롭게 사용이 가능하다.
- 인스턴스 초기화 블럭 : 인스턴스 변수를 초기화 하는데 사용
인스턴스를 생성할 때마다 수행된다. 생성자보다 인스턴스 초기화 블럭이 먼저 실행된다.
인스턴스 변수의 초기화는 주로 생성자를 이용하고, 인스턴스 초기화 블럭은 모든 생성자에서 공통으로 수행해야 하는 코드를 넣는데 사용한다.
- 클래스 초기화 블럭 : 클래스 변수를 초기화 하는데 사용
클래스가 메모리에 처음 로딩될 때 한번만 수행된다. 앞에 static을 붙여 사용한다.
class BlockTest {
static { // 클래스 초기화 블럭
System.out.println("static { }");
}
{ // 인스턴스 초기화 블럭
System.out.println("{ }");
}
public BlockTest() { // 생성자
System.out.println("생성자");
}
public static void main(String[] args) {
System.out.println("BlockTest bt = new BlockTest();");
BlockTest bt = new BlockTest();
System.out.println("BlockTest bt2 = new BlockTest();");
BlockTest b2 = new BlockTest(); // 여기서는 클래스 초기화 블럭이 실행되지 않는다
}
}
클래스 변수의 초기화 시점 : 클래스가 처음 로딩될 때 단 한번 초기화된다.
인스턴스 변수의 초기화 시점 : 인스턴스가 생성될 때마다 각 인스턴스 별로 초기화가 이루어진다.
클래스 변수의 초기화 순서 : 기본값 -> 명시적 초기화 -> 클래스 초기화 블럭
인스턴스 변수의 초기화 순서 : 기본값 -> 명시적 초기화 -> 인스턴스 초기화 블럭 -> 생성자
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