[C++] 가상함수와 vtable

C++ 가상 함수(Virtual Function)와 vtable의 동작 원리

C++에서 가상 함수(Virtual Function) 는 상속과 다형성(polymorphism) 을 구현하는 핵심 개념입니다. 가상 함수를 통해 부모 클래스 포인터(또는 참조)를 통해 자식 클래스의 메서드를 호출할 수 있습니다. 이 기능을 가능하게 하는 구조가 바로 vtable(virtual table) 입니다.

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1. 가상 함수(Virtual Function)란?

정의

• 가상 함수는 virtual 키워드로 선언된 멤버 함수입니다.
• 기본 클래스 포인터를 통해 파생 클래스의 메서드를 호출할 수 있도록 허용합니다.

class Base {
public:
    virtual void speak() {
        std::cout << "Base speaking\n";
    }
};

class Derived : public Base {
public:
    void speak() override {
        std::cout << "Derived speaking\n";
    }
};

int main() {
    Base* p = new Derived();
    p->speak();  // Derived::speak() 호출됨
    delete p;
}

출력 결과:

Derived speaking

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2. virtual vs non-virtual 함수

항목	virtual 함수	일반 함수
바인딩 시점	런타임	컴파일 타임
호출 방식	vtable 간접 참조	직접 호출
성능	간접 호출로 약간 느림	빠름
유연성	높음 (다형성 지원)	낮음

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3. vtable (Virtual Table)이란?

개요

• 가상 함수 호출을 구현하기 위해 컴파일러가 자동 생성하는 함수 포인터 테이블
• 클래스마다 하나씩 생성됨
• 가상 함수가 하나라도 있다면 해당 클래스에 vtable이 생성됨

vptr (Virtual Pointer)

• 객체 내부에 숨겨진 포인터
• 이 객체가 사용할 vtable을 가리킴

객체 구조:
┌─────────────┐
│   vptr      │ → vtable(Class)
│ 멤버 변수들 │
└─────────────┘

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4. vtable 동작 원리

객체 생성 시

• 컴파일러는 객체에 vptr을 삽입
• vptr은 해당 클래스의 vtable 주소를 저장

함수 호출 시

• vptr을 통해 vtable에 접근
• 해당 함수의 포인터를 찾아 호출 → 동적 바인딩 수행

Base* p = new Derived();
p->speak();  // vptr → vtable(Derived) → &Derived::speak 호출

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5. 예시로 보는 vtable 구조

class Base {
public:
    virtual void f() { std::cout << "Base::f\n"; }
};

class Derived : public Base {
public:
    void f() override { std::cout << "Derived::f\n"; }
};

vtable 구조:

vtable(Base):
+----------------+
| &Base::f       |
+----------------+

vtable(Derived):
+----------------+
| &Derived::f    |
+----------------+

호출 흐름:

• Base* p = new Derived();
• p->f(); → p → vptr → vtable(Derived) → &Derived::f 호출

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6. 생성자/소멸자에서 virtual 함수 호출이 위험한 이유

생성자

• 객체 생성 도중에는 vptr이 아직 base 클래스의 vtable을 가리킴
• 이 시점에 virtual 함수를 호출하면 base 버전만 호출됨

소멸자

• 파생 클래스가 먼저 소멸되므로 vptr은 base 클래스의 vtable로 돌아감
• 이 시점에 virtual 함수 호출 시 역시 base 버전만 호출됨

예제

class Base {
public:
    Base() { speak(); } // Base::speak 호출됨
    virtual void speak() { std::cout << "Base\n"; }
    virtual ~Base() { speak(); } // Base::speak 호출됨
};

class Derived : public Base {
public:
    void speak() override { std::cout << "Derived\n"; }
    ~Derived() { std::cout << "Derived destroyed\n"; }
};

출력 결과

Base
Derived destroyed
Base

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7. 순수 가상 함수와 추상 클래스

순수 가상 함수

class Shape {
public:
    virtual void draw() = 0;  // 순수 가상 함수
};

• 구현이 없는 virtual 함수
• 해당 클래스를 추상 클래스로 만들며, 인스턴스를 생성할 수 없음
• 파생 클래스는 반드시 오버라이딩해야 함

vtable 구조

• 순수 가상 함수도 vtable에 등록됨 (대개 null 또는 특수 표기)

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8. 기타 특징 및 주의사항

항목	설명
클래스마다 vtable 1개	객체당 vptr 1개가 자신의 클래스의 vtable을 가리킴
다중 상속	클래스마다 여러 개의 vptr과 vtable이 생길 수 있음
RTTI, dynamic_cast	내부적으로 vtable 사용 (typeid도 포함)
성능	간접 호출이므로 일반 함수보다 약간 느림
디버깅	가상 함수 호출 오류는 런타임 시점에 드러남

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9. 요약

개념	설명
가상 함수	virtual 키워드로 선언, 런타임에 결정됨 (동적 바인딩)
vtable	클래스마다 생성되는 함수 포인터 테이블
vptr	객체 내부 포인터, 해당 클래스의 vtable을 가리킴
생성자/소멸자	이 시점엔 파생 클래스의 vtable을 사용할 수 없음
추상 클래스	순수 가상 함수를 포함한 클래스, 직접 인스턴스 생성 불가

가상 함수와 vtable 구조는 객체지향 설계에서 다형성을 구현하는 핵심적인 기반이며, 올바르게 이해하고 사용하면 C++의 유연함과 강력함을 최대한 활용할 수 있습니다.