[Java] 자바의 상속

10 분 소요

자바의 상속과 관련된 개념을 알아보자

1. 상속(Inheritance)

상속은 객체지향 프로그래밍(Object Oriented Programming)에서 매우 중요한 개념이다.상속을 통해서 하나의 클래스가 가진 특징(필드와 메서드)을 다른 클래스들에게 물려줄 수 있다.

주요 용어

Super Class - 부모 클래스
- 다른 클래스들에게 상속을 하는 주체가 되는 클래스이다.
- 상위 클래스, super class, base class 라고도 불린다.
Sub Class - 자식 클래스
- 다른 클래스의 특징을 상속받는 클래스이다.
- 서브 클래스, derived class, extended class라고도 불린다.
- 자식 클래스는 부모 클래스로부터 상속받은 필드와 메서드뿐 아니라, 자기 자신의 필드와 메서드를 추가하여 사용할 수 있다.
Reusability - 재사용성
- 상속은 코드의 재사용성을 지원하는 기능이다.
- 새로운 클래스를 만드려고 할 때, 기존의 클래스를 상속받아 해당 클래스에 존재하는 기능을 그대로 사용할 수 있다.
- 즉, 필드와 메서드를 반복할 필요가 없어지며 코드의 재사용성을 높이는 것이다.

1.1. 상속의 기본

extend 키워드를 사용해 상속을 구현할 수 있다.

문법

class 자식클래스 extends 부모클래스{
	// 필드와 메서드
}

Pocketmon 클래스 상속받는 피카츄 클래스 생성 테스트

부모 클래스 Pocketmon 클래스

 // 부모 클래스
  static class Pocketmon{

      // 3개의 필드
      public String name;
      public int hp;
      public int exp;


      // 1개의 생성자
      public Pocketmon(String name, int hp) {
          this.name = name;
          this.hp = hp;
          exp = 0;
      }

      // 3개의 메서드
      public void eat() {
          hp += 5;
      }
      public void exercise() {
          hp -= 10;
          exp += 5;
      }
      public String toString() {
          return name +" >> hp:"+hp+"     exp:"	+exp;
      }        
  }

Pocketmon을 상속받은 Pikachu 클래스

 static class Pikachu extends Pocketmon{
     public String owner;

     public Pikachu(String name, int hp, String owner) {
         // 부모 클래스의 생성자를 호출
         super(name, hp);
         this.owner = owner;
     }

     // 자식 클래스에서 추가한 메서드
     public void setOwner(String owner){
         this.owner = owner;
     }

     // 부모 클래스의 toString() 메서드 오버라이딩
     // 자식 클래스의 필드를 추가
     @Override
     public String toString() {
         return super.toString() + "     owner:"+owner;
     }
 }

자식 클래스의 인스턴스 생성과 결과 확인

public static void main(String[] args) {
  Pikachu p = new Pikachu("피카츄",100,"지우");
  System.out.println(p.toString());
}

피카츄 >> hp:100     exp:0     owner:지우

여기서 주목할 점은 자식 클래스의 인스턴스가 생성될 때, 부모 클래스의 인스턴스가 생성되는 것이 아니라는 것이다.

source : GeeksforGeeks - Java Object Creation of Inherited Class

피카츄 클래스 인스턴스 메모리 구조

자식 클래스의 인스턴스가 생성되면, 해당 인스턴스 내부에 부모 클래스 멤버를 위한 메모리 공간이 포함된다.

즉, 자식 클래스(Pikachu 클래스)의 인스턴스는 내부에 부모 클래스(Pocketmon 클래스)의 멤버에 대한 복사본을 가지게 된다.
이 과정을 통해 자식 클래스의 인스턴스가 부모 클래스 멤버에 접근 가능한 것이다

생성된 인스턴스의 해시코드와 등록된 클래스네임을 이용해서 이를 증명할 수 있다.

this와 super 키워드를 통해 해시코드 값과 등록된 인스턴스 네임을 비교

public class PocketmonTest2 {

    static class Pocketmon{
        public Pocketmon(){
            System.out.println("부모 클래스의 생성자");
            System.out.println("부모 클래스 인스턴스의 해쉬코드 : "+this.hashCode());
            System.out.println(this.getClass().getName());
        }
    }
    static class Yadoran extends Pocketmon{
        public Yadoran(){
            System.out.println("자식 클래스의 생성자");
            System.out.println("자식 클래스 인스턴스의 해쉬코드 : "+this.hashCode());
            System.out.println(this.hashCode() + "     " + super.hashCode());
            System.out.println(this.getClass().getName() + "     " + super.getClass().getName());
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Yadoran y = new Yadoran();
    }
}

부모 클래스의 Object hashcode와 자식 클래스의 Object hashcode가 일치한다.
- 즉, 하나의 객체만이 생성되었음을 알 수 있다.
getClass().getName()을 통해서 생성된 객체가 자식 클래스인 Yadoran의 인스턴스임을 알 수 있다.

cf. 부모클래스 멤버의 접근제어별 접근범위

public: 모든 클래스에서 접근 가능
protected: 해당 클래스가 있는 패키지에서는 public과 동일한 역할을 하며, 외부 패키지에서는 상속받은 클래스만 접근 가능
default: 해당 클래스가 있는 패키지 내에서만 접근 가능
private: 해당 클래스 내에서만 접근 가능

클래스 종류별 멤버 접근 범위

클래스 종류	public 멤버	protected 멤버	default 멤버	private 멤버
내부패키지 상속관계	O	O	O	X
내부패키지 포함관계	O	O	O	X
외부패키지 상속관계	O	O	X	X
외부패키지 포함관계	O	X	X	X

1.2. 상속의 특징

모든 클래스의 부모 클래스인 Object class
- Object 클래스를 제외한 모든 클래스는 하나의 부모 클래스를 가진다.
- extends 키워드를 통해 명시적으로 선언되어있지 않더라도, 모든 클래스는 암묵적으로 Object클래스를 상속받고 있다.
오직 하나의 부모클래스를 갖는다.
- 부모 클래스는 여러개의 자식 클래스를 가질 수 있지만, 자식 클래스는 오직 하나의 부모 클래스를 갖는다.
- 자바가 클래스의 다중상속을 지원하지 않기 때문
- 하지만 Interface를 사용하여 다중상속을 구현할 수 있다.
생성자는 상속되지 않는다.
- 자식 클래스는 부모 클래스의 모든 멤버를 상속받는다.
  - 클래스의 멤버 : 필드, 메서드, 중첩 클래스(Nested class)
- 생성자는 멤버에 속하지 않기 때문에 자식클래스로 상속되지 않는다.
- 하지만, super()를 이용하여 자식 클래스에서 부모 클래스의 생성자를 호출할 수 있다.
private 멤버는 상속되지 않는다.
- private 멤버는 자식 클래스에 상속되지 않는다.
- 하지만, public, protected 메서드를 이용하여 private 필드에 접근할 수 있다.
  - setter, getter

1.3. Super 키워드

super 키워드는 부모 클래스(super class) 객체를 참조할 수 있는 참조변수이다.
super 키워드가 사용되는 상황은 다음과 같다.

1) 부모 클래스 필드에 접근할 때

부모 클래스와 자식 클래스가 동일한 필드를 가지는 경우, JVM이 이를 해석하는데 모호함이 생길 수 있다. 이 때, 부모 클래스의 필드에 super를 붙여 구분지을 수 있다.

부모와 자식 클래스 모두 defaultHp 필드를 가지고 있는 경우

public class SuperTest {

    // 부모 클래스
    static class Pocketmon{
        int defaultHp = 100;
    }

    // Pocketmon을 상속받은 자식 클래스
    static class LongStone extends Pocketmon{
        int defaultHp = 150;

        // 부모클래스의 defaultHp 출력
        void display(){
            System.out.println("Default Hp : "+ super.defaultHp);
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        LongStone l = new LongStone();
        l.display();
    }
}

Default Hp : 100

2) 부모클래스의 메서드에 접근할 때

자식 클래스에서 부모 클래스의 메서드를 호출할 때 모호함이 생길 수 있다. super 키워드를 이용하면 이런 모호함을 제거할 수 있다.

부모와 자식 클래스 모두 message()메서드를 가지고 있는 경우

public class SuperTest {

    // 부모 클래스
    static class Pocketmon{
        void message(){
            System.out.println("This message is from Pocketmon class");
        }
    }

    // Pocketmon을 상속받은 자식 클래스
    static class LongStone extends Pocketmon{

        void message(){
            System.out.println("This message is from LongStone class");
        }

        void display(){
            // 현재 클래스의 message()를 호출
            message();
            // 부모 클래스의 message()를 호출
            super.message();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        LongStone l = new LongStone();// 자식 클래스 인스턴스 생성
        l.display();				  // 자식 인스턴스 메서드 호출
    }
}

This message is from LongStone class
This message is from Pocketmon class

자식 클래스에서 message()를 호출하면, 현재 클래스의 메서드가 실행된다.
super 키워드와 함께 message()를 호출할 경우 부모 클래스의 메서드가 실행된다.

3) 부모 클래스의 생성자에 접근할 때

디폴트 생성자와 파라미터가 존재하는 생성자 모두에 접근할 수 있다.

public class SuperTest {

    // 부모 클래스
    static class Pocketmon{
        Pocketmon(){
            System.out.println("Pocketmon class 생성자");
        }
    }

    // Pocketmon을 상속받은 자식 클래스
    static class LongStone extends Pocketmon{
        LongStone(){
            super();
            System.out.println("LongStone 클래스 생성자");
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        LongStone l = new LongStone();
    }
}

Pocketmon class 생성자
LongStone 클래스 생성자

super()로 부모 클래스의 생성자를 호출할 때 주의할 점

super()는 항상 자식 클래스 생성자의 맨 첫 줄에 와야한다.
만약 자식 클래스의 생성자에 부모클래스의 생성자 호출코드가 없다면, 자바 컴파일러가 자동적으로 디폴트 super()를 삽입해 준다. 이 때 부모 클래스에 디폴트 생성자가 없다면 컴파일 에러가 난다.
자식 클래스는 명시적으로든 암묵적으로든 자신의 부모 클래스 생성자를 호출하게 된다. 이러한 호출은 모든 클래스의 조상인 Object클래스의 생성자까지 이어지게 되고, 이를 constructor chaining이라 부른다.

1.4. Object 클래스

Object 클래스는 java.lang 패키지에 존재하는 클래스로서, 모든 클래스가 직간접적으로 상속받고 있는 클래스이다.

명시적으로 상속받은 부모 클래스가 없을 경우 ⇒ Object 클래스를 직접 상속 받은 자식 클래스
명시적으로 상속받은 부모 클래스가 있는 경우 ⇒ 간접적으로 상속된 자식 클래스
즉, 모든 자바 클래스에서 Object 클래스의 메서드를 사용할 수 있다. Object 클래스는 모든 자바 프로그램의 뿌리역할을 한다.

Object 클래스의 메서드

1. toString()

toString() 메서드는 인스턴스에 대한 정보를 String 형태로 제공해주는 메서드이다.
디폴트 형태는 생성된 인스턴스의 클래스명+ @ + 생성된 인스턴스의 해시코드에 대한 16진수표현을 String 형태로 반환한다.

// 디폴트 toString() 
// class name + @ + unsigned hexadecimal representation of the hash code of the object
public String toString()
{
    return getClass().getName() + "@" + Integer.toHexString(hashCode());
}

2. hashCode()

JVM은 생성된 각각의 인스턴스에 대하여 고유한 번호인 해시코드를 부여한다.
해시코드는 인스턴스로 가는 직접적인 주소가 아니라, 인스턴스의 주소를 내부적인 알고리즘을 통해 정수형태로 바꾼 형태이다.
자바는 C/C++과 다르게 인스턴스의 reference를 사용하지 않는 언어이다. 따라서 hashcode()는 native로 구현되어 있다.

3. equals(Object obj)

파라미터로 주어진 객체와 현재 객체를 비교한다.
equals()를 오버라이딩할 경우 hashcode()가 함께 오버라이딩되어 객체의 해쉬코드값을 비교한다.
비교하는 두 객체가 같다면 해쉬코드값이 동일해야 한다.

4. getClass()

getClass()는 실제 런타임에 생성된 클래스 인스턴스 반환한다.
클래스의 메타 데이터를 가져오는 데 사용되기도 한다.
반환된 클래스 인스턴스는 static synchronized method(정적 동기화 메서드)에 의해 lock된 상태이다.
final 메서드이기 때문에 오버라이딩이 불가능하다.

public class Test {
   
    public static void main(String[] args) {
        Object obj = new String("Merry Christmas!!");
        Class c = obj.getClass();
        System.out.println("Class of Object obj is :"+ c.getName());
    }
}

Class of Object obj is : java.lang.String

위의 코드는 JVM은 컴파일된 .class파일을 로딩한 후, Heap영역에 java.lang.Class타입의 인스턴스를 생성한다. 우리는 이 class 클래스 인스턴스를 사용하여 클래스 레벨의 정보를 가져올 수 있다. 이같은 코드는 주로 Reflection API을 사용할 때 이용된다.

5. finalize()

finalize()는 인스턴스의 마지막 순간. 즉, 가비지 콜렉팅되기 직전에 호출된다.
자바의 GC작업은 JVM의 Garbage Collector에 의해 자동수행된다.
Garbage Collector가 해당 인스턴스를 참조한 변수가 있는지 탐색하고, 없다면 finalize()를 호출해 heap에서 인스턴스를 제거한다.
프로그래머가 finalize()를 직접 호출하여 인스턴스 제거를 명령할 수도 있다.
finalize()를 오버라이딩하면 시스템 자원을 확보하고, 메모리 누수를 최소화 할 수 있게 된다.
예를 들면 웹 컨테이너의 서블릿 객체를 삭제하기 전에, finalize()를 호출하여 세션을 초기화한다.

public class Test {

    public static void main(String[] args) {
        Test t = new Test();
        System.out.println(t.hashCode());
        t = null;

        // 가비지 콜렉터 호출
        System.gc();
        System.out.println("end");
    }

    @Override
    protected void finalize() throws Throwable {
        System.out.println("finalize 메소드 호출");
    }
}

1922154895
end
finalize 메소드 호출

6. clone()

clone()은 인스턴스에 대한 클론(복사본)을 반환한다.

7. wait(), notify(), notifyAll()

다음의 메서드들은 멀티 스레딩 환경에서의 Polling 문제(특정 조건이 참인지를 지속적으로 테스팅하는 과정)를 방지하기 위해 사용한다.
final 메서드이다.
synchronized 블럭 내부에서만 사용할 수 있다.

wait() : 작업을 진행하던 스레드가 lock 상태를 포기하고, 다른 스레드가 notify()를 호출할 때까지 sleep상태에 빠진다.
notify() : 동일한 인스턴스 내에서 wait()로 인해 sleep 상태에 빠졌던 하나의 스레드를 깨운다.
notifyAll() : wait()로 인해 sleep 상태에 빠졌던 모든 스레드를 깨운다

1.5. final 키워드

final 키워드는 변수, 메서드, 클래스에 적용될 수 있으며, 적용되는 대상에 따라 다른 역할을 수행한다.

Final Variable ⇒ 변수의 재할당을 막기 위함
Final Methods ==> 메서드 오버라이딩을 막기 위함
Final Classes ⇒ 클래스 상속을 막기 위함

1) Final 변수

final 키워드가 변수의 앞에 붙으면, 해당 변수는 수정될 수 없다.
따라서, 반드시 선언시에 초기화 값을 넣어주어야 한다.
하지만 final 변수가 참조변수일 경우에는 해당 참조값이 가리키는 인스턴스가 달라질 수 있다.
- final array나 final collection은 요소 추가/제거가 가능

1-1) value를 담는 final 변수

한 번 값이 할당되면 재할당이 불가능하기 때문에, 프로그램이 실행되는 동안 지속되어야하는 값에 final을 붙인다.

final 변수 초기화 방법
- final 변수를 초기화하지 않으면 컴파일 에러를 발생시킨다.
- final 변수 오직 한 번만 초기화 될 수 있으며, 초기화 블럭과 할당연산자를 통해 초기화가 가능하다.
- 1. 선언과 동시에 초기화 : 가장 보편적인 초기화 방법
- 2. 초기화 블록에서 초기화
- 3. 생성자에서 초기화

final 변수 초기화 예시

public class FinalTest {
    // 1. 선언과 동시에 초기화
    final int THRESHOLD = 5;
    static final double PI = 3.141592653589793;

    // 2. 초기화 블럭으로 초기화
    final int CAPACITY;
    {
        CAPACITY = 25;
    }
    static final double EULERCONSTANT;
    static {
        EULERCONSTANT = 2.3;
    }

    // 3. 생성자를 사용한 초기화
    // 다수의 생성자가 존재한다면, 모든 생성자에 MINIMUM 초기화 코드를 삽입해야 한다.
    final int MINIMUM;
    public FinalTest(){
        MINIMUM = -1;
    }
}

1-2) 참조값을 가지는 final 변수

final 변수가 인스턴스로의 참조값을 가진다면, 이 변수를 reference final variable(참조형 파이널 변수)라 부른다.

final 변수는 다른 값으로 재할당 될 수 없다.
하지만 final 변수가 가지고 있는 참조의 대상자체가 변할 수 있다.
이것은 re-assigning(재할당)의 개념이 아니라, non-transitivity(비이동성)의 개념이다.

reference final variable 예시

public class FinalTest {
    public static void main(String[] args) {

        // final reference 변수
        final StringBuilder sb = new StringBuilder("Merry");
        System.out.println(sb);

        // 인스턴스의 내부 상태 변화
        sb.append(" Christmas");
        System.out.println(sb);
    }
}

Merry
Merry Christmas

2) Final 클래스

final 클래스란 다른 클래스로 상속될 수 없는 클래스를 말한다. 크게 2가지 종류가 있다.

2-1) 상속을 방지하기 위함

대표적인 예로 Integer, Float와 같은 Wrapper 클래스가 있다.

final class A{
     // methods and fields
}

// final 클래스인 A를 상속받으려 한다면, 컴파일 에러가 발생한다.
class B extends A { }

2-2) 불변 클래스를 만들기 위함

String 클래스와 같은 불변 클래스를 만드는 용도로 사용된다.
final없이는 그러한 클래스를 생성할 수 없다.

3) Final 메서드

final키워드가 붙은 메서드이며, 자식 클래스에서 오버라이딩 할 수 없다.
대표적으로 Object 클래스의 getClass(), wait(), notify()등이 있다.

class A {
    final void display() {
        System.out.println("This is a final method.");
    }
}

class B extends A {
    void display(){
        // 오버라이딩 할 수 없기 때문에 컴파일 에러가 발생한다. 
        System.out.println("Illegal!");
    }
}

References

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[Java] 자바의 상속

목차

상속

1. 상속(Inheritance)

1.1. 상속의 기본

1.2. 상속의 특징

1.3. Super 키워드

1.4. Object 클래스

1.5. final 키워드

1) Final 변수

2) Final 클래스

3) Final 메서드

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참고

[Java] 자바의 어노테이션(Annotation)

[Java] 자바의 열거형(Enum)

[Java] 자바의 멀티 스레드 프로그래밍

[Java] 자바의 예외