[c++] 형변환 (typecasting) - const_cast, reinterpret_cast, static_cast, dynamic_cast

형변환 

그동안 명시적인 형변환을 할때는 괄호를 사용했었는데 C++에서는 이를 대체 할 수 있는 4가지 종류의 형변환 연산자가 추가 되었다. 그럼 그동안에 사용했던 명시적 형변환을 계속 쓰지 않고 새로운 형변환 종류가 추가 되었을까? 일단 기존의 C 스타일 형변환은 두가지 문제점이 있다. 첫번째는 C 스타일의 형변환(컴파일 타입 형변환)은 눈에 잘 띄지도 않고 찾아내기 힘이 든다는 점이다. 사용자가 프로그램을 짜다 보면, 형변환 말고도 괄호를 사용하는 부분이 많기 때문이다. 뭐 눈에 잘 안띈다고 단점이될까? 

  명시적 형변환을 수행한다는 것은 암시적인 형변환이 불가능하다는 뜻이고, 암시적인 형변환이 불가능하다는 것은 컴퓨터가 생각하기에는 문제의 소지가 있다는 뜻이다. 다음으로 C 스타일의 형변환은 형변환의 의도를 구별해내기가 힘들다는 문제점도 있다. C++에서의 형변환 연산자는 그 용도에 따라서, 안전한 형변환, const 속성을 제거하는 형변환, 위험한 형변환, 클래스 타입간의 형변환 등으로 나뉘어져 있다. 그렇기 때문에 C++ 연산자를 사용해서 형변환을 하면 코드를 읽는 사람이 형변환의 의도를 쉽게 알아챌 수 있다. 컴퓨터 역시 코드를 작성한 사람의  의도를 파악 할 수 있기 때문에 컴퓨터가 개발자의 실수를 발견해서 경고해주는 것도 가능하다. 

1. const_cast ( const 속성을 제거하는 형변환 ) 

 : const_cast는 어떤 타입에서 const 속성이나 volatile 속성을 제거 할때 사용한다. 

* volatile속성 

 : 변수를 정의할때 volatile 키워드를 붙여줄 수 있는데 컴퓨터는 가끔씩 어떤 이유에서 변수를 상수로 만들어버리는 작업을 하게 되는데,  volatile로 지정한 변수는 그 작업에서 열외가 된다. 대부분의 경우 변수를 상수로 만드는 작업은 프로그램의 성능을 높이는데 도움이 되지만, 어떤 상황에서는 문제를 일으키기 때문이다. (지금은 쓸데가 없지만, volatile은 Multi threading과 관련된 곳에서 사용할 일이 생길 수 있다.) 다음은 const int 타입을 int 타입으로 형변환 하는 코드이다. 

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1. const int value = 100;  
2. int i = const_cast<int> (value);  

2. reinterpret_cast ( 위험한 형변환 ) 

reinterpret_cast는 일반적으로 허용하지 않는 위험한 형변환을(무조건적인 형변환 ) 할때 사용한다. 즉, 그 안의 데이터가 어떤 객체이던 그저 비트열로만 보고 원하는 형으로 강제로 변환을 한다는 것이다. 예를 들어 포인터를 정수로 변환하는 작업 등이 이에 해당 되겠다.

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1. int a, b;  
2. a = reinterpret_cast<int>(&b);  

3. static_cast ( 안전한 형변환 ) 
static_cast는 가장 일반적인 형태의 형변환을 할때 사용한다. 만약에 A타입에서 B타입으로의 암시적인 형변환이 가능하다면 static_cast를 사용해서 B타입에서 A타입으로 형변환 할 수 있다. 예를 들어 double 타입을 char 형으로 형변환하는데 사용할 수 있겠다.

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1. double d = 10.0;  
2. char c;  
3. c = static_cast<char>(d);  

 static_cast는 명시적인 형변환이기는 하지만 대체적으로 안전한 형변환이라고 볼 수 있다. 아마도 우리가 수행하는 대부분의 형변환은 여기에 속할 것이다. 

4. dynamic_cast ( 클래스간의 형변환 ) 

 유일하게 C 스타일의 형변환으로는 흉내낼 수 없는 것이 dynamic_cast이다. dynamic_cast는 서로 상속 관계에 있는 클래스간에 형변환을 할 때 사용한다. 더불어 형변환을 수행하는 동시에 이 형변환이 안전한 것인지까지 검사 해준다. 그래서 dynamic_cast는 실시간에 형검사를 하거나 형변환할 때 사용한다.

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1. #include <iostream>  
2. using namespace std;  
3.   
4. class Parent  
5. {  
6. public:  
7.     virtual void Print( ) {}  
8. };  
9. class Child1 : public Parent  
10. {  
11. public:  
12.     void Print( ) { cout << "class Child1 no problem" << endl; }  
13. };  
14. class Child2 : public Parent  
15. {  
16. public:  
17.     void Print( ) { cout << "class Child2 no problem" << endl; }  
18. };  
19. void main( )  
20. {  
21.     Parent *p = new Child1;  
22.     Parent *p1 = new Parent;  
23.   
24.     Child2* faile_child = dynamic_cast<Child2*> (p1);  
25.     if( NULL == faile_child )  
26.         cout << "Child2 Null 반환." <<endl;  
27.     else  
28.         faile_child->Print();  
29.   
30.     Child1 *pChild1 = dynamic_cast<Child1*>(p);   
31.     if( NULL == pChild1 )  
32.         cout << "Child1 Null 반환." <<endl;  
33.     else  
34.         pChild1->Print();  
35.   
36.     Child2 *pChild2 = dynamic_cast<Child2*>(p);  
37.     if( NULL == pChild2 )  
38.         cout << "Child2 Null 반환." <<endl;  
39.     else  
40.         pChild2->Print();  
41.   
42.     try  
43.     {  
44.         Child2& C2 = dynamic_cast<Child2&> (*p);  
45.     }  
46.     catch (bad_cast& e)  
47.     {  
48.         cout<<"bad_cast currupt"<<endl;  
49.     }  
50. }  

 위 예제에서 본것처럼, dynamic_cast는 다운 캐스트, 즉 부모 클래스 타입에서 자식 클래스 타입으로 형변환 할때 유용하게 사용할 수 있다. 다운 캐스트는 포인터나 레퍼런스가 가리키고 있는 객체의 실제 타입이 무엇이냐에 따라서 안전할 수 있고 위험할 수도 있는데 dynamic_cast가 알아서 안전여부는 검사를 해준다. 

 만약에 형변환에 문제가 있는 경우라면 dynamic_cast 연산자는 NULL 값을 반환하거나 bad_cast 예외를 던지게 된다.(위 결과 처럼 말이다.) 포인터의 형변환이라면 NULL을 반환함으로써 문제 상황을 알릴 수 있지만, 레퍼런스의 형변환인 경우에는 어떤 특정한 값은 반환하는 것이 불가능하므로 bad_cast 예외를 던지게 된다. (bas_cast 에외 역시 C++의 다른 예외 클래스들처럼 exception 클래스를 상속받았다.)

 위에서는 의미도 없는 가상함수를 사용했는데, 가상함수가 하나도 없는 클래스는 dyynamic_cast를 사용할 수 없기 때문이다. 이는 RTTI(Run-Time Type Information)의 내부 구현과 관련이 있다. 위의 예제는 나머지 자식 클래스들도 상속받아 물려받은 가상 함수가 있는 셈이므로 dynamic_cast를 사용 할 수 있는 것이다. 만약 클래스가 가상함수를 하나도 가지지 않는다면 해당 클래스는 타입으로는 RTTI 를 이용할 수 있지만 객체로는 RTTI 를 이용할 수 없다.

 그럼 검사도 해주고 형변환도 해주는 dynamic_cast가 만능이냐? 아니다. static_cast<Child1*>(p); 이와 같이 static_cast를 해줄 수도있다. 하지만 이는 아무런 검사도 하지 않고 형변환을 하기 때문에, 실제론 잘못동작할수 있는 코드가 아무런 경고나 에러없이 컴파일되게 되는 불안요소를 가지고 있다고 할 수 있죠. 

 dynamic_cast는 RTTI를 이용해서 런타임시에 형을 체크하기 때문에, 잦은 dynamic_cast는 눈에 띌 정도의 퍼포먼스 저하의 원인이 될수 있습니다. 그렇기 때문에 자신이 하는 형변환하는 것이 안전하고 확실하다고 생각할때만 static_cast를 이용하고, 확신할수 없을 경우는 dynamic_cast를 이용하여 널포인터를 체크하는 것이 바람직하다.

5. RTTI 

 RTTI (Runtime Type Information)실행시간에 객체의 타입에 대한 정보를 얻을 수 있는 기능을 말한다. C++은 클래스의 객체만 가지고선 어떤 클래스의 객체인지 알수 있는 방법이 원래 없기 때문이다. 형변환 중 dynamic_cast를 할려면 RTTI가 필요 한데, 우리가 많이 쓰는 Visual Studio는 기본적으로 RTTI 기능을 사용하지 않게 설정되어 있다. 왜냐하면 RTTI의 특성상 객체를 생성할때마다 그 객체 내부에 타입 정보와 상속 정보를 넣어두기 때문에 속도(퍼포먼스)의 저하가 일어나기 때문이다. 

그래서 RTTI 기능 및 dynamic_cast를 사용하기 위해서는 비주얼 스튜디오의 프로젝트 설정을 변경 시켜 줘야 한다. 프로젝트의 Properties에 들어가 C++ -> Language -> Enable Run-Tie Type Information을 Yes(/GR)로 바꿔주면 된다.

  그럼 이 RTTI와 dynamic_cast는 어떻게 작동을 하는 것일까? 컴파일러는 RTTI 와 객체를 연결하기 위해서 가상함수 포인터 테이블을 이용을 한다. 원래 C++ 언어의 가상함수 포인터 테이블은 순수한 가상함수에 대한 함수 포인터 배열이다. RTTI 와 객체의 연결을 위해 C++ 언어는 가상함수 포인터 테이블 앞에 4 byte 를 만들고 이것을 RTTI 와의 연결 고리로 사용한다. 

 프로그램이 dynamic_cast 를 이용하여 캐스트를 한 경우 실행 코드는 dynamic_cast 의 표현식에 기술된 객체를 이용하여 RTTI 포인터 테이블을 검색하고, 만약 RTTI 포인터 테이블 상에 일치하는 RTTI 가 존재 한다면 표현식에 기술된 객체의 타입을 변환하여 반환하고, RTTI 포인터 테이블 상에 일치하는 RTTI 가 존재 하지 않는다면 dynamic_cast 는 NULL(0) 을 반환을 할 것이다.