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Myanglog

Generic - Invariance, Covariance, Contravariance

— 2 min read

Spring batch를 쓰다보면 ItemWriter에 void write(List<? extends T> var1) 이런 메서드가 있어 왜 저런 제네릭 타입을 쓰는걸까 궁금했었는데 이제서야 찾아보게 되었다.

contravariance 개념에 대한 글들을 봐도 뭔가 직관적이지 않아서 이해하는데에만 몇 시간이나 걸렸는데, 이해하고 나니 어찌보면 단순하다. 최대한 정리해봤다.

Generic 용어

처음엔 일단 뭐라고 검색해야할지 명칭조차 까먹어서 다시 정리를 해봤다. 이펙티브 자바에 나오는 용어 기준이다.

  • ? : wildcard. unknown type을 나타낸다
  • List<?>: unbounded wildcard type(비한정적 와일드카드 타입)
  • List<? extends Integer>, List<? super Integer> : bounded wildcard type(한정적 와일드카드 타입)
    • ? super Integer : Integer이거나 Integer의 supertype이란 뜻
    • ? extends Integer : Integer이거나 Integer의 subtype이란 뜻
  • E : formal type parameter(정규타입 매개변수)
  • List<E> : generic type

Invariance, Covariance, Contravariance

  • type과 subtype간의 관계
  • 각각 불공변, 공변성, 반공변성으로 번역할 수 있는데...차라리 영어가 더 쉽다
    • in- 은 not, co- 는 함께, contra- 는 반대의
    • covariant: A가 B의 subtype이면 f(A)도 f(B)의 subtype
    • contravariant: A가 B의 subtype이면 f(B)가 f(A)의 subtype
    • invariant: 위에꺼 둘다 안됨

Invariance

1interface Animal {
2    void eat()
3}
4class Panda extends Animal {
5    void eat()
6}

  • Panda는 Animal의 하위 타입이지만, List<Panda>는 List<Animal>의 하위타입이 아니다.

    • Panda는 Animal이 하는 일(eat())을 수행하는데 문제가 없지만,
    • List<Panda>는 List<Animal>이 하는 일 (온갖 종류의 Animal 타입을 add하기)를 할 수 없기 때문(Panda타입만 add할 수 있다)

  • ⇒ 클래스의 상속관계가 Generics에서는 상속관계로 유지되지 않는 것을 Invariance라고 한다 Generics는 컴파일 단계에서 Generics의 타입이 지워지기 때문. 예시에서 JVM은 Runtime에 List 객체만 알고 있게 된다.

  • 아래 코드와 같은 상황이 컴파일 가능하려면, Invariance로는 안된다.

1void copyAll(Collection<Object> to, Collection<String> from) {
2    to.addAll(from); 
3}

⇒ 이런 상황에서 유연성을 극대화하기 위해 bounded wildcard (한정적 와일드카드) 타입을 사용한다.

Covariance

  • ? extends T(Kotlin: <out T>)

  • String이 Object의 하위타입이니 Collection<String> 도 Collection<? extends Object> 의 하위타입으로 쓸 수 있다

  • List<? extends T>에는 read(get) 만 할수있고, add는 할 수 없다. (이유는 밑에서 설명)

1List<Double> doubles = Arrays.asList(1.1, 2.2, 3.3);
2List<? extends Number> numbers = doubles; // ok
3
4Number number = numbers.get(0);
5System.out.println(number);
6numbers.add(1.1); // compile error

Contravariance

  • ? super T (Kotlin: <in T>)

  • Integer가 Number의 하위타입 → Collection<Number>를 Collection<? super Integer>의 하위타입으로 쓸 수 있다

  • List<? super T>에는 read(get)은 할 수 없고, add는 할 수 있다. (이유는 밑에서 설명)

1public void addNumber(List<? super Integer> numbers) {
2    numbers.add(6);
3    // numbers.get(0); 컴파일 에러
4}
5
6List<Number> myInts = new ArrayList<>();
7addNumber(myInts);
8
9System.out.println(myInts); // 정상

PECS

<? extends T>와 <? super T>를 각각 언제 써야할까?

이펙티브 자바에서는 PECS를 기억하면 된다고 소개하고 있다.

  • producer-extends, consumer-super. (다른 말로는 Get and Put Principle도 있음)
  • 매개변수화 타입 T가 생산자라면 <? extends T>, 소비자라면 <? super T> 를 써야한다는 뜻.
    • producer : 데이터를 제공하는 역할. read only
    • consumer: 정보를 받아 사용하는 역할. writeonly
    • 😵‍💫 consumer가 정보를 받는건데 consumer가 read를 해야하는것 아닌가요? - 라고 생각했는데
      • 예를들어 List<T> 라면 'List의 관점'에서 봐야 한다.
      • → producer는 read를 할 수 있게 제공을 하고, consumer일때는 외부에서 write해주는걸 받아 채워넣는다
  • 주의) 메서드의 return type에는 이러한 한정적 wildcard를 쓰면 안됨. client코드에서도 wildcard타입을 써야하기 때문. 유연성을 높여주지 않는다.
    1public T method1() {} // ok
    2public <? extends T> method2() {} // nope!

왜 add/get 하나만 가능할까?

  • PECS 원칙은 알겠는데, 왜 원칙이 이렇게 되었는지가 궁금했다.

  • 우선 기억해야할 것은

    • 자식객체는 부모 객체의 모든 메서드를 포함하고 그 이상을 가지고 있다는 것. 그래서 자식객체는 부모 객체를 대체할 수 있지만, 부모객체는 자식객체를 대체할 수 없다.
    • 자식에 부모를 대입한다면, 부모는 자식이 가지고 있는걸 다 가지진않아서 컴파일 에러를 일으킨다.

  • covariance 예시를 다시 보자.

1List<Double> doubles = Arrays.asList(1.1, 2.2, 3.3);
2List<? extends Number> numbers = doubles; // ok
3
4Number number = numbers.get(0); 
5    // numbers에서 가져온 어떤 객체이든 Number타입이거나 
6    // Number타입으로 upcasting 되므로 compile 가능하다
7
8numbers.add(1.1); // compile error
9                    // Number보다 하위인 Double이라서 왜 안되는지 의아할 수 있지만,
10                    // Double보다 더 하위 클래스가 List에 포함된 상태일 수도 있기 때문에 
11                    // Double이 들어가서 type이 safe함을 보장하지 못한다.
  • contravariance 예시도 다시 보자
1public void addNumber(List<? super Integer> numbers) {
2    numbers.add(6); // Integer과 Integer의 super타입을 저장하는 List니까, 
3                                        // Integer타입을 add하는 것은 가능하다.
4    
5        int a = numbers.get(0); // 컴파일 에러
6                                // 부모클래스도 같이 저장되어있으므로
7                                // Number가 아닌 Integer를 get 해올 수 있다는 보장이 없다. 
8}

covariance-contravariance는 각각 다른 개념이 아니라 같은 이유로부터 나온 개념이다.

Collection<T>로부터 T를 꺼내올 때, Collection<T>는 생산자. Collection<? extends T> 로 유연하게 만들면 read-only가 된다.

Collection<T>에 T를 더 넣을 때, Collection<T>는 소비자이며 Collection<? super T>로 만들면 write-only가 된다.

References