[Java] 제네릭

2024년 상반기 면접 시즌이 끝나고 다시 공부를 시작했다🥲 가장 최근에 본 면접에서 제네릭에 대해 간단하게 설명하라는 질문을 받았고, 이에 나는 '강타입 언어인 자바의 가용성을 늘려줄 수 있는 기술로 범용 클래스와 메서드를 만들 수 있게 해준다' 라고 답했다. 반쪽짜리 답변이었고 이 때 내가 순간적으로 떠올린 것은 제네릭의 와일드카드, 즉 `?` 키워드였다. 만약 이에 대해서 꼬리질문이 들어왔다면 나는 줄줄이 틀린 답변을 했을 것이고 제네릭에 대해서 자세하게 모른다는 생각이 들었다. 그래서 오늘은 제네릭에 대해서 공부한 내용을 정리해보고자 한다.

 

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☑️ 제네릭

제네릭은 캐스팅으로 인해 발생하는 오버헤드를 줄이고 가용성을 늘리기 위해 개발한 문법으로 클래스 내부에서 사용할 타입을 외부에서 지정하는 것을 의미한다.

제네릭은 `<>` 다이아몬드 연산자 자체를 의미하며 `<>` 내부에 들어가는 `T`, `U`, `?`, `Reference Type` 등은 제네릭의 타입 매개변수라고 부른다.

 

 

☑️ 제네릭 메서드

제네릭 메서드란 메서드 선언부에 직접 제네릭 `<T>`를 선언한 메서드를 말한다. 클래스 타입 매개변수를 사용한 메서드와 혼동할 가능성이 높기 때문에 주의해야한다.

아래 코드와 같은 제네릭 메서드를 보고 생길 수 있는 의문점은 '같은 타입 파라미터 기호를 사용하는데 어떻게 별개의 제네릭으로 사용되는가' 이다.

class Test<T>{
	public T JustMethod(T n){}
    public <T> void GenericMethod(T n){}
}

 

사실 제네릭 메서드는 클래스 인스턴스가 선언될 경우 클래스의 타입 매개변수와 같은 타입을 사용하여 생성된다. 하지만 아래와 같이 제네릭 클래스가 선언된 후 제네릭 메서드 타입 파라미터의 타입을 별도로 지정해줄 경우, 독립적인 타입을 가진 제네릭 메서드로서 운용될 수 있는 것이다.

 

class Test<T, U> {
    public <T, U> void running(T x, U y) {}
}

public static void main(String[] args) {
    Test<Integer, Long> test = new Test<>();
    test.running(1, 1); // <Integer, Long>

    test.<String, Double>running("Yeop", 30.0);
}

 

 

☑️ 제네릭의 특징

1️⃣ static 객체

static 메서드에는 클래스에서 선언한 제네릭 사용이 불가능하다. 이는 클래스 인스턴스와 생명주기가 다르기 때문으로 static 메서드에서 제네릭을 사용하기 위해서는 static 메서드를 static 제네릭 메서드로 생성해야한다.

class Test<T>{
	static T impossible(int n){} // 불가능
    static <T> void possible(T[] array){} // 가능
}

 

2️⃣ 복수 타입, 중첩 타입 선언 가능

Class Test<T, U>{} // 복수 선언
LinkedList<ArrayList<Integer>> list = new LinkedList<ArrayList<Integer>>(); // 중첩 선언

   

 

☑️ 제네릭 타입 범위

제네릭은 범용성과 가용성을 크게 증가시켜주지만 너무 자유롭다는 단점과 공변성이 부분적으로 적용된다는 문제점이 존재한다. 이를 보완하기 위한 것이 각각`extends, super` 키워드와 와일드카드이다.

 

`extends`와 `super` 키워드가 와일드 카드와 함께 사용될 경우에는 혼동되는 개념을 포함하고 있기 때문에 먼저 일반적인 타입 매개변수와 함께 사용되는 경우에 대해 간단히 다룬 후 와일드 카드의 상한 경계와 하한 경계에 대해 설명하고자 한다. 

 

1️⃣ 제네릭의 상한경계

 

'extends' 키워드는 상위 타입을 제한하여 지정 타입과 그 하위 타입들만 받도록 하는 것이다. 제네릭의 extends 키워드 뒤에는 일반 클래스, 추상 클래스, 인터페이스 모두 올 수 있으며 다음과 같이 `&` 키워드를 사용하여 다중 제한이 가능하다.

interface peach {}
interface apple {}

class FruitType implements Peach, Apple {}

class Fruit<T extends Peach & Apple> {}

 

또한 재귀적 타입 한정이 가능한데, 재귀적 타입 한정이란 자기 자신이 들어간 메서드를 사용하여 타입 매개변수를 타입 범위를 제한하는 것을 말한다. 실무에서는 주로 Comparable 인스턴스와 함께 사용된다. `<E extends Comparable<E>>`

 

 

2️⃣ 제네릭의 하한경계

'super' 키워드는 지정 타입과 그 상위 타입들만 받도록 제한한다. `super` 키워드는 와일드카드가 아닌 타입 매개변수와 함께 다음과 같이 사용한다면 `<T super U>` Object와 유사한 역할을 하게 되기 때문에 일반적으로 잘 사용되지 않는다.

 

 

3️⃣ 와일드 카드

제네릭의 와일드 카드는 `?` 키워드로 선언하며 일반적인 타입 선언에서의 Object와 같은 역할을 한다. 각 객체 간에는 공변성이 존재하기 때문에 가장 상위 객체인 Object를 선언한다면 캐스팅을 통해 유연하게 타입을 적용할 수 있다. 하지만 제네릭은 무공변의 성질을 띄기 때문에 항상 전달받은 하나의 타입으로만 사용할 수 있기 때문에 객체 지향의 장점을 전혀 이용하지 못한다. 이를 해결하기 위해 와일드 카드가 필요한 것이다.

 

 

아래와 같이 와일드 카드와 경계 제한 키워드를 활용하면 제네릭에 공변성과 반공변성을 적절히 부여할 수 있다.

ArrayList<? extends Animal> animals = new ArrayList<Dog>(); // 공변
ArrayList<? super Dog> dogs = new ArrayList<Animal>(); // 반공변

 

일반적으로 와일드 카드는 제네릭 타입 제한 키워드인 `extends`, `super`와 함께 다음과 같이 쓰이며 각 경우는 엣지 케이스를 떠올리며 생각해 볼 필요가 있다.

 

 

상한 경계  List<? extends U>

• GET : 안전하게 꺼내려면 U 타입으로 받아야한다. (EX - for 문 사용할 경우)
• SET : 어떠한 타입의 자료도 넣을수 없다. (null만 삽입 가능)

하한 경계 List<? super U>

• GET : 안전하게 꺼내려면 Object 타입으로만 받아야한다.
• SET : U와 U의 하위 타입만 넣을 수 있다.

비경계 List<?>

• GET : 안전하게 꺼내려면 Object 타입으로만 받아야한다. (super 의 특징)
• SET : 어떠한 타입의 자료도 넣을수 없다. (null만 삽입 가능) (extends 의 특징)

 

 

추가적으로 타입 제한에 대한 PECS라는 공식이 있는데 이는 Producer - Extends / Consumer - Super 의 약자로 메서드가 데이터를 생산한다면 `extends`, 소비한다면 `super`를 사용해야한다는 의미를 가지고 있다. 하지만 해당 공식을 직관적으로 적용하기에는 무리가 있다고 생각한다. 

 

제네릭은 타입 안정성과 캐스팅 오버헤드 개선을 위해 JDK 1.5부터 도입된 문법이다. 그렇기 때문에 이전 버전과 호환을 위해 컴파일 과정 이후 클래스 파일에서는 모두 Object 타입으로 변환되거나 제거된다.

 

 

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☑️ 결론

제네릭 메서드 부분을 공부하면서 분명히 전에도 제네릭에 대해서 공부한 것 같은 느낌이 들었지만, 이정도면 제네릭에 대해서 전혀 모르고 있었다고 해도 할 말이 없을 수준이다.. 특히 와일드카드 경계를 개발 상황에 적절하게 적용하기 위해서는 여러 엣지 케이스를 고려해볼 필요가 있을 것 같다.