[C++] class와 struct의 차이 정리

오늘은 C++의 class와 struct의 차이를 정리해보려고 한다.

struct와 class가 완전히 다른 개념처럼 느껴질 수 있는데,
실제로는 사용할 수 있는 기능이 거의 동일하다.

다만 C++에서는 둘의 기본 접근 지정자와 기본 상속 접근 지정자가 다르고,
관례적으로도 서로 다른 의도를 담아서 사용하는 경우가 많다.

추가로 이번 글에서는 struct / class의 멤버가 메모리에 어떻게 배치되는지도 함께 정리해보았다.

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class와 struct의 차이

C++에서 struct와 class는 기능상 거의 동일하다.

예를 들어 둘 다 다음과 같은 기능을 가질 수 있다.

• 멤버 변수 / 멤버 함수
• 생성자 / 소멸자
• 상속
• 템플릿
• 접근 지정자 사용

문법적으로 사용할 수 있는 기능은 거의 같고, 차이는 다음 두 가지다.

• 기본 멤버 접근 지정자
• 기본 상속 접근 지정자

접근 지정자의 기본값은 다음과 같다.

• struct

  • 기본 멤버 접근 지정자 : public
  • 기본 상속 접근 지정자 : public

• class

  • 기본 멤버 접근 지정자 : private
  • 기본 상속 접근 지정자 : private

즉, 별도로 접근 지정자를 작성하지 않는다면 접근 지정자의 기본값은 다르고,
기능은 거의 동일하다.

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접근 지정자란?

접근 지정자(access specifier) 란 멤버에 대한 접근 권한을 제어하는 키워드이다.

대표적으로 다음 세 가지가 있다.

• public : 어디서든 멤버에 접근할 수 있다.
• protected : 클래스 내부와 파생 클래스에서 접근할 수 있다.
• private : 해당 클래스 내부에서만 접근할 수 있다.

접근 지정자는 캡슐화를 구현할 때 핵심적으로 사용된다.

예외적으로 C++에서는 friend 키워드로 지정된 함수나 클래스가
해당 클래스의 private, protected 멤버에 접근할 수 있다.

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기능상 거의 동일한데 왜 구분할까?

기능상 거의 동일하다면 굳이 왜 struct와 class를 나눠서 사용할까?

이유는 코드를 읽는 사람에게 의도를 더 명확하게 전달하기 위해서다.

보통 관례상 다음과 같이 사용한다.

• struct : 데이터의 묶음
• class : 캡슐화가 필요한 객체

예를 들어 Position처럼 단순히 좌표 값을 묶어 표현하는 타입은 'struct'로 나타내기 좋다.
반면 Player, Dog처럼 상태와 동작을 함께 가지며 캡슐화가 필요한 객체는 'class'로 표현하는 것이 더 자연스럽다.

물론 struct 안에 private 멤버를 두고 게터 / 세터를 만들어서 사실상 class처럼 설계하는 것도 가능하다.
하지만 이렇게 하면 기능적으로는 문제없어도, 다른 사람이 코드를 읽을 때 의도를 다르게 해석할 수 있다.

특히 협업에서는 “이 타입이 단순 데이터 묶음인지, 캡슐화된 객체인지”
이런 의도가 빠르게 읽히는 것이 중요하므로 관례를 지키는 편이 좋다고 생각한다.

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class와 struct 혼용 예시

아래는 struct와 class가 기능적으로 거의 동일하다는 점과,
기본 상속 접근 지정자의 차이를 확인할 수 있는 예시 코드이다.

#include <iostream>

using namespace std;

struct A {
    int x;
};

class B : A {
public:
    int y;
};

class C {
public:
    int x;
};

struct D : C {
    int y;
};

int main() {
    B test1{};
    D test2{};

    // test1.x;  // class는 기본 상속이 private라 외부에서 접근 불가, 컴파일 에러!!
    test1.y;

    test2.x;
    test2.y;
}

'struct' 와 'class' 는 기능상 거의 동일하므로 위 코드처럼 서로를 상속받을 수 있다.

위 코드에서 중요한 점은 다음과 같다.

• class B : A 는 private 상속
• struct D : C 는 public 상속

앞서 설명했듯이 B가 A를 상속받을때 기본 상속 접근 지정자가 private이므로
A의 public 멤버 x를 외부에서 그대로 접근할 수 없다.

반면 D는 C를 상속받을때 기본 상속 접근 지정자가 'public'이므로
C의 public 멤버 x에 외부에서 그대로 접근할 수 있다.

실제로 이런 식으로 혼용해서 사용할 일은 많지 않지만,
사용하게 된다면 아래처럼 상속 접근 지정자를 명시적으로 적는 것이 더 좋다.

struct D : public C {
    int y;
};

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추가 정리 : struct / class의 메모리 배치와 패딩

추가로 struct와 class의 멤버가 메모리에 어떻게 배치되는지도 알아보려고 한다.

CPU는 보통 데이터를 처리할 때 각 타입의 정렬 조건(alignment) 에 맞게
배치된 데이터를 더 효율적으로 처리한다.

일반적인 경우에 다음과 같이 예시를 들 수 있다.

• int는 4바이트 정렬을 요구하는 경우가 많다.
• double은 8바이트 정렬을 요구하는 경우가 많다.

즉, int는 보통 4의 배수 주소(0, 4, 8, ...),
double은 보통 8의 배수 주소(0, 8, 16, ...)
이렇게 놓일 때 CPU가 더 효율적으로 접근할 수 있다.

정렬 조건을 만족하지 않으면 CPU가 데이터를 읽을 때 추가 비용이 발생할 수 있다.

따라서 컴파일러는 CPU가 구조체 / 클래스의 데이터를 효율적으로 읽을 수 있도록 멤버를 배치하는데,
이때 정렬 조건을 만족하기 위해 일부러 빈 공간(padding) 을 추가하기도 한다.

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패딩이란?

컴파일러는 각 멤버가 자신의 정렬 조건을 만족하도록 멤버 사이에 빈 공간(padding) 을 추가할 수 있다.

구조체나 클래스의 실제 크기를 확인해보면 단순히 멤버 크기를 더한 값과 다를 수 있다.
이때, 구조체나 클래스의 크기는 보통 가장 큰 정렬 조건의 배수가 되도록 맞춰진다.

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예시 1

struct S {
    char a;
    char b;
    int c;
    char d;
};

위 구조체를 보면 단순히 생각했을 때

• char 1바이트
• char 1바이트
• int 4바이트
• char 1바이트

이므로 총 7바이트처럼 보일 수 있다.

하지만 실제로는 보통 12바이트가 된다.

대략적인 배치는 다음과 같다.

• a : 1바이트
• b : 1바이트
• 패딩 : 2바이트
• c : 4바이트
• d : 1바이트
• 패딩 : 3바이트

가장 큰 정렬조건인 int의 정렬 조건을 맞추기 위해 중간에 패딩이 들어가고,
전체 구조체 크기도 정렬 단위에 맞게 커지는 것이다.

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예시 2

만약 위 구조체에서 int c를 double c로 바꾸면 어떻게 될까?

struct S {
    char a;
    char b;
    double c;
    char d;
};

이 경우 구조체 크기는 보통 24바이트가 된다.

대략적인 배치는 다음과 같다.

• a : 1바이트
• b : 1바이트
• 패딩 : 6바이트
• c : 8바이트
• d : 1바이트
• 패딩 : 7바이트

double이 보통 8바이트 정렬을 요구하기 때문에 이에 맞춰 패딩이 더 많이 들어가게 된다.

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패딩을 줄이는 방법

패딩은 멤버 순서를 조정해서 줄일 수 있다.

예를 들어 정렬 조건이 큰 멤버를 앞쪽에 두면 불필요한 패딩을 줄일 수 있는 경우가 많다.

위 예시에서 멤버 순서를 바꿔서 아래와 같이 작성하면

struct S {
    double c;
    char a;
    char b;
    char d;
};

구조체 크기가 더 줄어드는 것을 확인할 수 있다.
이 경우 보통 16바이트가 된다.

그러므로, 성능이나 메모리 사용량이 중요한 상황에서는 멤버 순서까지 고려하는 것이 좋다.

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패딩을 강제로 조정하는 방법

패딩은 #pragma pack 지시어를 사용해서 조정할 수 있다.

#pragma pack(push, 1)
struct S {
    char a;
    int b;
};
#pragma pack(pop)

위 예시에서는 정렬 단위를 1바이트로 맞추므로 패딩이 줄어들거나 제거될 수 있다.
이 경우 보통 char 1바이트 + int 4바이트로 계산되어 총 크기가 5바이트가 된다.

다만 #pragma pack은 컴파일러 의존적인 기능이며, 무조건 사용하는 것이 좋은 것은 아니다.
정렬을 강제로 깨면 메모리는 줄어들 수 있지만, 오히려 CPU 접근 성능이 나빠질 수도 있고 이식성에도 영향을 줄 수 있다.

그래서 특별한 이유가 없다면 우선은 멤버 순서를 조정하는 방식을 먼저 고려하는 편이 더 자연스럽다.

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정리

C++에서 struct와 class는 기능상 거의 동일하다.

하지만 기본 접근 지정자, 기본 상속 접근 지정자에서 차이가 있다.

• struct는 둘 다 'public'
• class는 둘 다 'private'

또한 실제 코드에서는 단순히 문법 차이 때문이 아니라
의도를 드러내기 위한 관례로 구분해서 사용하는 경우가 많다.

• 단순 데이터 묶음 → struct
• 캡슐화가 필요한 객체 → class

추가로 struct / class의 멤버는 정렬 조건에 따라 메모리에 배치되고,
이 과정에서 패딩이 들어갈 수 있다.

따라서 struct / class를 설계할 때는 멤버 순서를 고려하는 것이 좋다.