[8장] C++ 객체지향 프로그래밍: 클래스 설계와 캡슐화의 균형

이번 장에서는 C++의 객체지향 특성을 활용한 클래스 설계의 핵심 원칙과 캡슐화의 중요성에 대해 집중적으로 다룹니다. 효율적인 클래스 구조와 캡슐화 전략을 통해 더 견고하고 유지보수가 용이한 코드를 작성하는 방법을 배워보세요.

1. 개념정리

클래스 설계와 캡슐화의 균형은 객체지향 프로그래밍에서 중요한 개념들입니다. 여기에 대해 간략히 설명드리겠습니다. 개념의 설명은 항상 거창하고 어려워 보이지만, 의미만 이해하고, 실제로 코딩을 구성해 보시면서 자신만의 코드를 만들어 가시기 바랍니다.

클래스 설계

클래스 설계는 객체지향 프로그래밍에서 클래스를 구성하는 과정입니다. 여기에는 몇 가지 중요한 요소가 포함됩니다:

• 데이터 멤버와 메서드의 정의: 클래스는 관련 데이터(속성)와 기능(메서드)을 결합합니다. 이들은 클래스의 주된 구성 요소입니다.
• 책임의 분리(Separation of Concerns): 각 클래스는 특정한 책임과 기능을 가지며, 이는 클래스가 다루어야 할 주요 영역을 명확히 합니다.
• 재사용성 및 확장 가능성: 잘 설계된 클래스는 다른 부분의 코드에 쉽게 재사용될 수 있으며, 변경에 유연하게 대응할 수 있습니다.

캡슐화

캡슐화는 클래스의 세부 구현을 숨기고, 외부 인터페이스만을 제공하는 방법입니다. 이를 통해 클래스의 내부 구현이 외부로부터 독립적이며 변경에 안전하게 됩니다. 캡슐화의 핵심 요소는 다음과 같습니다:

• 정보 은닉(Information Hiding): 클래스의 내부 데이터를 외부로부터 숨기고, 공개적으로 필요한 부분만을 제공합니다.
• 접근 제어자(Access Modifiers): public, private, protected 등의 접근 제어자를 사용하여 클래스 멤버의 접근을 제어합니다.
• 인터페이스 제공: 클래스 사용자가 클래스의 내부 구현에 대해 알 필요 없이, 공개된 메서드를 통해 클래스와 상호작용할 수 있도록 합니다.

균형의 중요성

클래스 설계와 캡슐화의 균형은 중요합니다. 너무 많은 세부 사항을 캡슐화하면 클래스의 사용성이 떨어질 수 있고, 충분한 캡슐화 없이 많은 내부 정보를 노출시키면, 클래스의 안정성과 유지보수성이 저하될 수 있습니다. 따라서, 어떤 정보를 외부에 노출하고 어떤 정보를 숨길지에 대한 적절한 결정이 필요합니다. 이러한 균형은 견고하고 유연한 소프트웨어 설계의 핵심입니다.

2. 워밍업 코드

// Employee.h - Employee 클래스 헤더 파일
#ifndef EMPLOYEE_H
#define EMPLOYEE_H

#include <string>

class Employee {
private:
    std::string name;  // 직원의 이름
    int id;            // 직원 ID
    double salary;     // 연봉

public:
    Employee(std::string name, int id, double salary) : name(name), id(id), salary(salary) {}

    // Getters and Setters
    std::string getName() const { return name; }
    void setName(std::string newName) { name = newName; }

    int getId() const { return id; }
    void setId(int newId) { id = newId; }

    double getSalary() const { return salary; }
    void setSalary(double newSalary) { salary = newSalary; }

    // 추가 기능
    void display() const; // 직원 정보 출력
};

#endif //EMPLOYEE_H

// Employee.cpp - Employee 클래스 구현 파일
#include "Employee.h"
#include <iostream>

// 직원 정보를 출력하는 함수
void Employee::display() const {
    std::cout << "Name: " << name << ", ID: " << id << ", Salary: $" << salary << std::endl;
}

코드 설명

1. 클래스 정의 (Employee.h):
   • Employee 클래스는 직원의 이름(name), ID(id), 연봉(salary)을 캡슐화합니다.
   • 접근 지정자 private를 사용하여 데이터 멤버를 숨깁니다. 이는 캡슐화의 핵심 원칙 중 하나입니다.
   • public 메소드를 통해 데이터 멤버에 안전하게 접근하고 수정할 수 있게 합니다. 이러한 방식으로 데이터의 무결성을 유지합니다.
2. 메소드 구현 (Employee.cpp):
   • display 함수는 직원의 정보를 출력하는 기능을 제공합니다. 이는 클래스의 책임과 기능을 명확히 보여주는 좋은 예입니다.

이 예시는 클래스 설계와 캡슐화의 균형을 잘 보여주는 간단한 예제입니다. 클래스 설계시 정보 은닉과 책임의 분리를 고려하는 것이 중요합니다. 이를 통해 유지보수가 용이하고 확장 가능한 코드를 작성할 수 있습니다.

3. 클래스 설계

클래스 설계의 핵심은 객체지향 프로그래밍의 원칙에 충실하면서도, 실제 응용 프로그램의 요구 사항에 맞게 클래스를 구성하는 것입니다. 다음은 클래스 설계의 주요 요소에 대한 더 자세한 설명과 각 요소를 반영한 코드 예시입니다.

데이터 멤버와 메서드의 정의

클래스는 데이터 멤버(속성)와 메서드(기능)를 결합합니다. 데이터 멤버는 클래스의 상태를 나타내며, 메서드는 이 상태에 대한 조작과 접근을 가능하게 합니다.

• 데이터 멤버: 이들은 클래스의 특성을 정의하며, 일반적으로 private 또는 protected로 선언되어 외부에서 직접적인 접근이 제한됩니다.
• 메서드: 데이터에 대한 접근과 조작을 허용하는 함수로, public으로 선언되어 클래스의 인터페이스를 형성합니다.

책임의 분리 (Separation of Concerns)

책임의 분리는 클래스가 단 하나의 책임만을 가져야 한다는 원칙입니다. 이는 코드의 유지보수와 재사용성을 높이는 데 기여합니다.

• 단일 책임 원칙 (Single Responsibility Principle): 각 클래스는 하나의 기능이나 책임에 집중해야 합니다.

재사용성 및 확장 가능성

클래스 설계는 재사용 가능하고 확장 가능해야 합니다. 이는 코드의 중복을 최소화하고, 시스템의 변화에 유연하게 대응할 수 있게 합니다.

• 재사용성: 코드의 재사용성을 높이기 위해서는 일반적이고 범용적인 디자인을 고려해야 합니다.
• 확장 가능성: 새로운 기능이나 요구 사항에 대응하기 위해 클래스를 쉽게 확장할 수 있어야 합니다.

// Vehicle.h - 차량 클래스 예시
#ifndef VEHICLE_H
#define VEHICLE_H

#include <string>

// 기본 차량 클래스
class Vehicle {
private:
    std::string make;      // 제조사
    std::string model;     // 모델
    int year;              // 제조 연도

public:
    Vehicle(std::string make, std::string model, int year)
        : make(make), model(model), year(year) {}

    // 데이터 멤버에 접근하는 메서드
    std::string getMake() const { return make; }
    std::string getModel() const { return model; }
    int getYear() const { return year; }

    // 차량에 관한 정보를 출력하는 메서드
    void displayInfo() const;
};

#endif // VEHICLE_H

// Vehicle.cpp - 차량 클래스 구현
#include "Vehicle.h"
#include <iostream>

// 차량 정보를 출력하는 메서드
void Vehicle::displayInfo() const {
    std::cout << "Make: " << make << ", Model: " << model << ", Year: " << year << std::endl;
}

이 코드에서 Vehicle 클래스는 차량의 기본 정보(제조사, 모델, 제조 연도)를 캡슐화하고, 이에 대한 접근과 조작을 허용하는 메서드를 제공합니다. 클래스는 단일 책임 원칙을 따르며, 차량 정보를 관리하는 데 집중합니다. 또한, 이 클래스는 차량에 관한 기본적인 기능을 제공함으로써 재사용성과 확장성을 가지고 있습니다. 예를 들어, 다양한 종류의 차량을 나타내는 하위 클래스에서 상속받아 확장될 수 있습니다.

2. 캡슐화

캡슐화는 객체지향 프로그래밍에서 데이터와 메서드를 하나의 단위로 묶고, 클래스의 세부 구현을 외부로부터 숨기는 개념입니다. 이를 통해 클래스의 내부 구현이 외부와 독립적이며, 변경에 안전하게 됩니다. 캡슐화의 핵심 요소는 정보 은닉, 접근 제어자, 인터페이스 제공입니다.

정보 은닉 (Information Hiding)

정보 은닉은 클래스의 내부 데이터를 외부로부터 숨기는 것을 말합니다. 이를 통해 데이터가 임의로 변경되는 것을 방지하고, 클래스의 내부 구현을 외부로부터 보호할 수 있습니다.

• 데이터 보호: 클래스의 데이터 멤버는 외부 접근으로부터 보호되어야 합니다. 이를 위해 private 또는 protected 접근 제어자를 사용합니다.
• 데이터 무결성 유지: 메서드를 통해 제한된 방식으로만 데이터에 접근하거나 수정할 수 있도록 함으로써 데이터의 무결성을 유지합니다.

접근 제어자 (Access Modifiers)

접근 제어자는 클래스 멤버에 대한 접근 권한을 정의합니다. public, private, protected는 C++에서 일반적으로 사용되는 접근 제어자입니다.

• Public: 외부에서 접근 가능한 클래스 멤버를 정의합니다. 이는 클래스의 인터페이스 부분을 형성합니다.
• Private: 클래스 외부에서 접근할 수 없는 멤버를 정의합니다. 클래스의 내부 구현 세부 사항을 숨기는 데 사용됩니다.
• Protected: 클래스 자체와 파생된 클래스에서만 접근할 수 있는 멤버를 정의합니다. 주로 상속 시 사용됩니다.

인터페이스 제공

클래스는 사용자가 내부 구현을 알 필요 없이 사용할 수 있는 인터페이스를 제공합니다. 이는 주로 public 메서드를 통해 구현됩니다.

• 사용자 친화적 인터페이스: 클래스 사용자는 public 메서드를 통해 클래스와 상호작용합니다. 이를 통해 클래스의 기능을 사용하고 데이터에 접근할 수 있습니다.

// Account.h - 은행 계좌 클래스
#ifndef ACCOUNT_H
#define ACCOUNT_H

class Account {
private:
    double balance; // 계좌 잔액 - 외부에서 직접 접근 불가

public:
    Account(double initialBalance) : balance(initialBalance > 0 ? initialBalance : 0) {}

    // 잔액을 조회하는 메서드 - 외부에서 접근 가능
    double getBalance() const { return balance; }

    // 입금 메서드 - 외부에서 접근 가능
    void deposit(double amount) { if (amount > 0) balance += amount; }

    // 출금 메서드 - 외부에서 접근 가능
    bool withdraw(double amount) {
        if (amount > balance) return false;
        balance -= amount;
        return true;
    }
};

#endif // ACCOUNT_H

이 코드에서 Account 클래스는 은행 계좌를 나타냅니다. 계좌의 잔액(balance)은 private으로 선언되어 외부에서 직접 접근할 수 없습니다. 대신, getBalance, deposit, withdraw 같은 public 메서드를 통해 잔액을 안전하게 관리할 수 있습니다. 이러한 방식으로 캡슐화는 클래스의 데이터 무결성을 보장하고, 외부에서의 무분별한 접근을 방지합니다.

3. 균형의 중요성

클래스 설계와 캡슐화의 균형은 객체지향 프로그래밍에서 매우 중요합니다. 이 균형을 잘 유지하는 것은 견고하고 유연한 소프트웨어 설계의 핵심입니다. 다음은 균형의 중요성에 대한 더 자세한 설명과 이를 반영한 코드 예시입니다.

균형의 중요성

• 과도한 캡슐화의 문제: 너무 많은 세부 사항을 숨기면, 클래스 사용자가 필요한 기능을 충분히 활용하지 못할 수 있습니다. 이는 클래스의 실용성을 감소시킬 수 있습니다.
• 부족한 캡슐화의 문제: 반대로, 캡슐화가 충분하지 않으면 클래스의 내부 구현이 노출되어, 예상치 못한 방식으로 데이터가 변경될 수 있습니다. 이는 데이터의 무결성과 클래스의 안정성을 위협합니다.
• 적절한 정보 노출: 클래스 설계 시, 어떤 정보를 외부에 노출하고 어떤 정보를 숨길지 결정하는 것이 중요합니다. 이는 클래스의 사용성과 안정성 사이의 균형을 찾는 것을 의미합니다.

// Car.h - 자동차 클래스
#ifndef CAR_H
#define CAR_H

#include <string>

class Car {
private:
    std::string engineStatus; // 엔진 상태 - 외부에서 직접 접근 불가

public:
    Car() : engineStatus("off") {}

    // 엔진 상태를 설정하는 메서드 - 내부 로직에 따라 엔진 상태 변경
    void setEngineStatus(std::string status) {
        if (status == "on" || status == "off") {
            engineStatus = status;
        }
        // 추가적인 내부 로직이 있을 수 있음
    }

    // 엔진 상태를 조회하는 메서드 - 외부에서 엔진 상태 확인 가능
    std::string getEngineStatus() const {
        return engineStatus;
    }

    // 추가적인 public 메서드들...
};

#endif // CAR_H

이 Car 클래스 예시에서는 엔진의 상태(engineStatus)를 private으로 선언하여 외부 접근을 차단했습니다. 이는 내부 상태의 캡슐화를 보여줍니다. 반면, setEngineStatus와 getEngineStatus 메서드는 외부에서 엔진 상태를 제어하고 조회할 수 있게 해줍니다. 이러한 방식으로 클래스는 필요한 정보와 기능을 외부에 제공하면서도, 내부 구현의 세부 사항은 숨깁니다.

이 균형은 클래스를 사용하는 사용자에게 필요한 유연성과 함께 내부 구현을 안전하게 보호하는 데 중요합니다. 사용자는 클래스의 기능을 충분히 활용할 수 있으며, 클래스 설계자는 내부 구현을 안전하게 유지할 수 있습니다.

4. 결론

클래스 설계와 캡슐화의 균형은 객체지향 프로그래밍의 핵심입니다. 클래스 설계는 데이터와 메서드를 명확하게 정의하고, 책임을 분리하여 재사용성과 확장성을 높여야 합니다. 캡슐화는 정보 은닉과 접근 제어자를 통해 데이터 보호와 무결성을 유지합니다. 이 균형은 클래스의 실용성과 안정성을 보장하며, 견고하고 유연한 소프트웨어를 설계하는 데 필수적입니다. 적절한 정보 노출과 내부 구현의 보호는 사용자의 필요와 소프트웨어의 안전성 사이에서 핵심적인 역할을 합니다.