제네릭 (5) - 공변성, 반공변성, 무공변성

1) 변성 (Variance) - 공변성 (Covariance), 반공변성 (Contravariance), 무공변성 (InVariance)

• 제네릭의 와일드카드를 배우기 전에, 알아야 할 개념이 있는데 그것은 바로 공변성, 반공변성, 무공변성 합쳐서 변성이라는 개념이다.

 

• 변성은 타입의 상속 계층 관계에서 서로 다른 타입 간에 어떤 관계가 있는지를 나타내는 지표이다.

 

• 그리고 공변성은 타입의 상속 계층 관계에서 서로 다른 타입 간에 함께 변할 수 있다는 특징을 말하며, 이를 객체 지향 개념으로 표현하면 SOLID 원칙 중 Liskov 치환 원칙에 해당한다.

 

• 예를 들어, 배열 (Array)과 리스트 (List)가 있다고 가정하면, Java에서의 각 변성의 특징은 아래와 같다.

 

(1) 공변성

• S가 T의 하위 타입이면, S[]는 T[]의 하위 타입이다.
• S가 T의 하위 타입이면, List<S>는 List<T>의 하위 타입이다.

 

(2) 반공변성

• S가 T의 하위 타입이면, T[]는 S[]의 하위 타입이다. // (공변의 반대)
• S가 T의 하위 타입이면, List<T>는 List<S>의 하위 타입이다. // (공변의 반대)

 

(3) 무공변성

• S와 T는 서로 관계가 없다, List<S>와 List<T>는 서로 다른 타입이다.

 

---

• 잘 살펴보면 객체 지향의 특징 중 하나인 다형성에서 배웠던 업 캐스팅과 다운 캐스팅의 내용과 비슷하다.

 

• 그렇다면 해당 내용을 Java 코드로 코딩해보자!

 

(4) 배열과 리스트를 이용한 공변성, 무공변성

/* 배열 (Array) */
Object[] 공변성 = new Integer[10];                    // OK

/* 리스트 (List) */        
List<Object> 공변성 = new ArrayList<Integer>();    // ERROR 발생
List<Integer> 반공변성 = new ArrayList<Object>();  // ERROR 발생

• 배열에서는 공변성의 성질이 적용되는 반면 리스트에서는 공변성과 반공변성의 성질이 적용되지 않는다.

 

• 왜냐하면 Java는 일반적으로 배열에 대해서는 공변성 성질이 적용되지만, 제네릭 타입에 대해서 공변성, 반공변성을 지원하지 않기 때문이다.

 

• 즉, 다시 말해 Java에서 제네릭은 무공변의 성질을 가지고 있는 것이다.

 

• 해당 내용은 아무래도 직관적으로 받아들이기가 힘든 부분일 수 있는데 언어 자체에서 정한 규칙이므로 따라야하고 다음으로 다형성의 내용을 잠깐 상기하고 제네릭에서 공변성을 지원하지 않아서 생기는 문제에 대해 알아보자!

• 왼쪽 그림은 Object → Number → Wrapper Class 간의 상속 계층도를 나타낸다.

 

• 절차 지향과는 달리 객체 지향에서의 강력한 특징은 캡슐화, 상속, 추상화, 다형성이다.

 

• 또한, 다형성의 특징을 활용하여 부모(조상) ↔ 자식 클래스 간 형변환이 가능하다.

Object parent = new Object();
Integer child = new Integer(3);

// 다형성 - 업 캐스팅
parent = child;
---
Object parent = new Integer(3;
Integer child;

// 다형성 - 다운 캐스팅
child = (Integer) parent;

• 물론, 일반 클래스가 아닌 제네릭 클래스여도 똑같이 다형성이 적용되는 건 마찬가지이다.

 

• 아래의 그림은 컬렉션 프레임워크의 Collection과 그의 하위 타입인 ArrayList는 서로 조상 ↔ 자손 상속 관계에 있기 때문에 캐스팅이 가능하다.

Collection<Integer> parent;
ArrayList<Integer> child = new ArrayList<>();
parent = child;                                             // 다형성 - 업캐스팅

Collection<Integer> parent = new ArrayList<>();
ArrayList<Integer> child = (ArrayList<Integer>) parent;        // 다형성 - 다운캐스팅

• 반면에 제네릭의 타입 파라미터(꺽새 괄호) 끼리는 타입이 아무리 상속 관계에 놓인다 한들 캐스팅이 불가능하다.

 

• 왜냐하면 제네릭은 무공변이기 때문에 제네릭은 전달받은 딱 그 타입으로만 서로 캐스팅이 가능하다.

ArrayList<Object> parent = new ArrayList<>();
        ArrayList<Integer> child = new ArrayList<>();

        parent = child; // ! 업캐스팅 불가능
        child = parent; // ! 다운캐스팅 불가능

→ ArrayList<Object> ↮ ArrayList<Number> ↮ ArrayList<Integer>

• 즉, 꺽새 괄호 부분을 제외한 원시 타입 (Raw Type) 부분은 공변성이 적용되지만, 꺽새 괄호 안의 타입 파라미터에 대해서는 적용이 되지 않는 다는 것이다.

 

(5) 공변성이 없으면 생기는 문제점

• 제네릭이 가진 무공변의 성질이 문제가 되는 이유는 매개변수로 제네릭을 사용할 때, 외부에서 대입되는 인자의 캐스팅 문제로 인해 애로사항이 발생하기 때문이다.

 

• 예를 들어, 아래와 같이 리스트를 파라미터로 받아 순회해서 출력해주는 print() 메소드가 있다고 가정하고 이를 배열로 구현해보자!

public static void print(Object[] arr) {
    for (Object e : arr) {
            System.out.println(e);
        }
}

public static void main(String[] args) {
        Integer[] integers = {1, 2, 3};
        print(integers); // [1, 2, 3]
}

• 배열로 구현했을 때는 아무런 문제없이 실행되는데 그렇다면 이번에는 배열이 아닌 제네릭 클래스로 구현해보자!

public static void print(List<Object> arr) {
        for (Object e : arr) {
            System.out.println(e);
        }
}

public static void main(String[] args) {
        List<Integer> integers = Arrays.asList(1, 2, 3);
        print(integers);         // ERROR 발생
}

• 제네릭 클래스로 구현했을 때, 메소드 호출 부분에서 컴파일 에러가 발생하는데 배열 같은 경우 print() 메소드의 파라미터로 Integer[] 배열 타입이 Object[] 배열 타입으로 자연스럽게 업캐스팅이 적용되어 문제가 없지만, List의 경우, 타입 파라미터가 오로지 똑같은 타입만 받기 때문에 캐스팅이 되지 않아 에러가 발생한 것이다.

 

• 즉, 외부로부터 값을 받는 파라미터의 제네릭 타입 파라미터를 Integer로 고정된 타입으로 작성해야 한다는 것인데 해당 메소드에 반드시 Integer 타입만 들어온다는 보장도 없으며 만일 Double 형이나 상위 타입인 Number 형과 같은 다른 타입의 값도 받고 싶은 경우에는 메소드를 오버로딩 해주어야 한다.

public static void print(List<Integer> arr) { }
public static void print(List<Double> arr) { } 
public static void print(List<Number> arr) { }

• 그렇다면 제네릭은 자바의 특징이라고 할 수 있는 객체 지향을 전혀 이용하지 못하는 것이 되므로 위와 같이 비효율적으로 코딩하게 되기 때문에 이를 해결하기 위해 나온 기능이 바로 제네릭의 와일드카드이다.

 

[참고] 배열은 왜 공변 (Covariant)이고 제네릭은 무공변 (Invariant)인지에 대한 고찰

• 결론적으로 말하자면 배열은 제네릭이 만들어지기 전부터 있었기 때문이며, 배열을 만들 당시에는 다형성을 가지기 위해서 공변성을 가지도록 만들었다.

 

• 다만 제네릭을 만들 당시에는 Convariant 로 인해 발생하는 문제를 방지하기 위해 invariant 하게 설계되었다.

 

• 이와 관련된 내용이나 코드는 제네릭을 사용하는 이유에서 자세하게 설명했으므로 생략한다.

 

[Reference]

https://inpa.tistory.com/entry/JAVA-%E2%98%95-%EC%A0%9C%EB%84%A4%EB%A6%AD-%EC%99%80%EC%9D%BC%EB%93%9C-%EC%B9%B4%EB%93%9C-extends-super-T-%EC%99%84%EB%B2%BD-%EC%9D%B4%ED%95%B4
https://junroot.github.io/programming/Java-%EB%B0%B0%EC%97%B4%EA%B3%BC-%EB%A6%AC%EC%8A%A4%ED%8A%B8%EC%9D%98-%EA%B3%B5%EB%B3%80%EC%84%B1%EA%B3%BC-%EB%B0%98%EA%B3%B5%EB%B3%80%EC%84%B1,-%EB%AC%B4%EA%B3%B5%EB%B3%80%EC%84%B1/

Java 배열과 리스트의 공변성과 반공변성, 무공변성

☕ 자바 제네릭의 공변성 & 와일드카드 완벽 이해