NULL 포인터로 객체의 함수가 왜 호출되냐?

1. 개요

오늘은 신기한 포스터를 봐서 개시해볼려고 합니다.

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2. 이게 왜 됨?

 

class Parent
{
public:
	int age;
	void run() 
	{
		std::cout << "자식 run" << std::endl;
	}

	virtual void run2() 
	{
		std::cout << "자식 run" << std::endl;
	}
};

int main(void)
{
	// case 1 non-virtual 함수 : 실행됨
	Parent* temp = NULL;
	temp->run();

	// case 2 virtual 함수 : segfualt
	Parent* temp2 = NULL;
	temp2->run2();

	// case3 멤버변수 : segfault
	Parent* temp3 = NULL;
	std::cout << temp3->age << std::endl;
	
	return 0;

}

클래스의 맴버 변수와 맴버 함수는 객체가 할당될 때 메모리에 올라가기 때문에, 할당 후 접근이 가능합니다. 이걸 보고 난뒤에는 예상을 못하겠습니다.
그래서인지 nullptr로 접근한 case 2 나 case 3는 어느정도 납득이 갑니다.
근데 왜 case1은 이렇게 될까요?

이를 확인하기 위해 클래스의 메모리 구조에 대한 이해가 필요합니다.(static, virtual, binding 등 키워드도 알아야합니다.)

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3. 메모리 구조

 

출처 : https://stdbc.tistory.com/124

1. 클래스의 멤버

클래스에는 멤버변수와 멤버함수가 있고 각각 정적(static), 비정적(non-static)으로 선언이 가능하다.

또한 멤버함수는 가상(virtiual)으로 선언이 가능한데, virtual과 static은 동시 사용이 불가능하다. 

표로 정리하면 아래와 같다.

C++ 클래스	static	non-static
멤버변수	static	non-static
멤버함수	static	non-static	non-static + virtual

 

2. static, virtual, binding은 간단하게 정리

static 멤버를 사용하는 이유

• static 멤버변수: 여러 인스턴스가 공유해서 사용할 수 있는 변수
• static 멤버함수: 인스턴스가 생성되지 않더라도 호출한 필요한 함수

가상함수를 사용하는 이유

: 동적바인딩을 통한 다형성 - 인스턴스의 실제 클래스에 따라 오버라이딩된 함수 호출이 가능

3. 클래스의 메모리 구조

클래스 안에 멤버변수와 멤버함수가 있기 때문에 둘이 같은 메모리 공간에 위치한다고 생각할 수 있지만, 그렇지 않다

 

• 인스턴스: 생성될 때마다 각각 다른 메모리 주소에 할당된다. (정적할당:스택 or 동적할당:힙)
• non-static 변수: 인스턴스의 생성과 동시에 할당된다. (정적할당: 스택 or 동적할당: 힙)
• static 변수:  인스턴스 생성 시가 아니라, 프로그램 시작 시 저장되고 프로그램이 종료되어야 소멸한다. (데이터영역) -> 여러 인스턴스가 공유한다.
  

  

  출처 : https://stdbc.tistory.com/124

  • 멤버함수: static, non-static 모두 프로그램 시작 시 코드영역에 저장된다. 멤버함수는 인스턴스마다 다르게 동작하는 것이 아니기 때문에 인스턴스마다 함수가 할당되면 비효율적일 것이다. 따라서 해당 클래스의 모든 인스턴스는 코드 영역에 있는 멤버함수를 공유하면서 사용한다. (코드영역) 
  • 함수를 공유할 때, 함수를 호출한 인스턴스의 구분은 어떻게 하는 것일까? (ex 함수 내부에서 멤버변수를 사용한다면, 해당 인스턴스 정보가 필요) 멤버 함수가 코드영역에 올라갈 때 객체의 포인터를 hidden 인자로 전달받도록 변경되기 때문에, 어느 인스턴스에서 호출한 함수인지 확인할 수 있다.
  인스턴스가 생성될 때 같이 생성되는 멤버는 밑줄친 non-static 멤버변수뿐이다. 따라서 클래스의 자체의 크기에도 non-static 멤버 변수만 영향을 미친다.여기서 추가로 생각해볼 부분이 바로 virtual 함수다.
  • 클래스에 가상함수를 선언하면 가상함수테이블이 생성되고(어디에? 아마 코드영역..??) 클래스 내부적으로 가상함수테이블을 가리키는 포인터를 갖는다. (4 or 8바이트)
  • 가상함수의 개수에 관계없이 포인터의 개수는 1개고, 클래스의 크기에 영향을 준다. 
  • 가상함수테이블은 클래스단위로 생성되고, 가상함수테이블 포인터는 인스턴스단위로 생성된다.

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4. 요약

1. 맴버 함수는 코드 영역에 저장이된다.
2. 가상 함수 테이블은 코드 영역에 저장되지만 그걸 가르키는 가상함수 포인터가 인스턴스화를 안했기때문에 segfault가 뜬다

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5. Ref

https://stdbc.tistory.com/124

[C++] NULL 포인터로 객체의 함수가 호출되는 이유