제네릭과 variance

2024.03.23 23:07

프로그래밍 언어들에서 제공해주는 기능 중 하나인 제네릭은 클래스나 인터페이스 혹은 함수 등에서 동일한 코드로 여러 타입을 지원해주기 위해 존재한다. 한가지 타입에 대한 템플릿이 아니라 여러가지 타입을 사용할 수 있는 클래스와 같은 코드를 간단하게 작성할 수 있다.

예시

class Wrapper<T>(var value: T)

fun main(vararg args: String) {
    val intWrapper = Wrapper(1)
    val strWrapper = Wrapper<String>("1")
    val doubleWrapper = Wrapper<Double>(0.1)
}

Wrapper라는 클래스는 꺽쇠안에 T라는 형식 인자(Type paraameter)를 가진다. 그곳에는 Int, String, Double등 여러 형식이 저장될 수 있다.

fun <T : Comparable<T>> greaterThan(lhs: T, rhs: T): Boolean {
    return lhs > rhs
}

함수에 제네릭을 적용한 예시이다. Comparable 을 구현한 형식 인자만 > 연산자를 사용할 수 있기 때문에 꺽쇠 안의 T의 선언에 Comparable<T> 를 구현했다는 것을 표시해주었다.

흔하게 사용되는 Kotlin의 컬렉션들인 List, MutableList, Set, MutableSet, Map등도 초기화될 때 제네릭으로 타입을 넣는다. 혹은 타입 추론이 될 수도 있다. (ex: listOf(1,2)가 자동으로 List로 추론됨)

Invariance

제네릭을 사용할 때 가장 헷갈리는 부분은 variance이다. 자바에선 와일드 카드(Wild card)라고 불리는 기능과 비슷하다.

자바에서 String은 Object의 subType이다. 그러나 List<String>은 List<Object>의 subType이 아니다.

val strs: MutableList<String> = mutableListOf()

//val objs: MutableList<Object> = strs 에러발생

두번째 줄과 같은 코드는 에러 발생으로 인해 실행될 수 없다. 만약 MutableList<String> 이 MutableList<Object>의 subType이면 2번째 줄이 에러가 발생하지 않아야 한다.

이렇게 형식 인자들끼리는 sub type 관계를 만족하더라도 제네릭을 사용하는 클래스와 인터페이스에서는 subType 관계가 유지되지 않는 것이 Invariance(불공변)이다. 기본적으로 코틀린의 모든 제네릭에서의 형식 인자는 Invariance이 된다.

Invariance의 한계

Invariance는 컴파일 타임 에러를 잡아주고 런타임에 에러를 내지않는 안전한 방법이다. 그러나, 안전하다고 보장된 상황에서도 컴파일 에러를 내 개발자를 불편하게 할 수도 있다.

interface Collection<E> ... {
  void addAll(Collection<E> items);
}
void copyAll(Collection<Object> to, Collection<String> from) {
  to.addAll(from);
  //addAll은 Invariance여서 to의 addAll에 from을 전달할 수 없다!
}

to는 Collection<Object>고 from은 Collection<String>이다. String을 Object로 취급하여, String만 사용할 수 있는 메서드나 속성을 사용하지 않을 것이라면 이 코드는 문제될게 없다. 하지만 이 코드는 컴파일 에러가 발생한다.

Java Wildcard, Covariance, Contravariance

이를 해결하기위해 자바에서는 Wildcard가 등장한다. 제네릭 형식 인자 선언에 ? extends E와 같은 문법을 통해 E나 E의 subType의 제네릭 형식을 전달받아 사용할 수 있다.

interface Collection<E> ... {
  void addAll(Collection<? extends E> items);
}

만약 Collection의 코드가 이런 형식으로 되어있다고 가정해보자.

items엔 E일수도 있고 E의 sub type일 수도 있는 아이템들이 들어있을 것이다. 여기서 어떤 아이템을 꺼내든(읽든) 그것은 E라는 형식안에 담길 수 있다.

그러나 items에 어떤 값을 추가하려면 items의 형식 인자인 ?가 어떤 것인지를 알아야한다. 하지만 그 인자가 무엇인지 정확히 알 수 없기 떄문에 값을 추가할 수 없다. 예를 들어 items가 Collection<? extends Object>라면 items에서 우리는 어떤 아이템을 꺼내서 그것을 Object 타입 안에 담을 수 있다. 그러나 Object를 items에 넣을 수는 없다. 왜냐하면 전달된 items가 Collection<String>일 수도 있고 Collection<Object>일 수도 있기 때문이다.

읽기만 가능하고 쓰기는 불가능한 ? extends E 는 코틀린에서의 out과 비슷한 의미로 사용되고 이런 것들을 covariance(공변)이라 부른다.

반대로 읽기는 불가능하고 쓰기만 가능한, 자바에선 ? super E 로 사용되고 코틀린에선 in 으로 사용되는 contravariance(반공변)이 있다.

contravariance에서는 E와 같거나 E의 상위타입만 ? 자리에 들어올 수 있다. items이 Collection<? super E> 라면, items에서 어떤 변수를 꺼내도 E에 담을 수 있을 지 보장할 수 없지만(읽기 불가) E의 상위 타입 아무거나 items에 넣을 수 있기 때문에 covariance와 반대된다고 생가하면 된다.

정리

정리	설명	java	kotlin
Invariance(불공변)	제네릭으로 선언한 타입과 일치하는 클래스만 삽입할 수 있다.	`<T>`	`<T>`
Covariance(공변)	특정 클래스를 상속받은 하위클래스들을 리스트로 선언할 수 있다. 하지만 해당 리스트의 타입을 특정할 수 없기 때문에 Write가 불가능하다.	`<? extends T>`	`<out T>`
Contravariance(반공변)	특정 클래스의 상위 클래스들을 리스트로 선언할 수 있다. 하지만 꺼낼 인스턴스가 어떤 타입인지 알 수 없기 때문에 Read가 불가능하다.	`<? super T>`	`<in T>`

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