[Java] Generic Type class에 대해

스프링을 다루다 보면 Generics 기능을 자주 사용하게 됩니다. 이 기능을 사용하면서 애매하게 알고 있던 것들을 짚고 가기 위해, 문법적으로 한 번 쭉 짚고 가도록 하겠습니다. 특히 자료구조 같이 직접 구조체를 만들어 사용할 때 매우 유용한 기능이라 사용법을 반드시 알아두는 것이 좋습니다.

 

Generics란?

Generics는 "다양한 타입의 객체들을 다루는 메소드나 컬렉션 클래스에 컴파일 시의 타입 Check를 해주는 자바의 기능"입니다.

위 문장만 읽어봤을 때 이게 무슨 뜻이냐 할 수 있는데 쉽게 풀어서 설명하면, 단순히 다룰 객체의 타입을 미리 명시해줌으로써 번거로운 형변환을 줄여준다는 의미입니다. 

 

간단하게 예를 들어보겠습니다. 

public class Generics_1 {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> stringList = new ArrayList<>();
    }
}

ArrayList를 보면 List의 <>안에는 String이라고 선언해주었습니다.

이렇게 선언함으로써 다룰 객체의 타입을 미리 명시해주었어요. 즉, stringList안에 들어가는 타입은 별도의 형변환 없이 내가 사용하고 싶은 데이터 타입만 사용할 수 있게 해주는 편의성이 있습니다. 위 코드에선 stringList에 String만 사용이 가능합니다.

 

Generics Type Class 선언 

Generics 타입은 클래스와 메소드에 선언할 수 있습니다.

먼저 클래스에 선언하는 Generics 타입에 대해 알아봅시다.

public class Box {
    Object item;
    
    void setItem(Object Item) {
        this.item = item;
    }
    
    Object getItem() {
        return this.item;
    }    
}

클래스 Box가 있습니다.

이 클래스를 Generics 클래스로 바꾸고 싶다면, 아래 코드처럼 단순히 클래스 옆에 <T>만 붙여주면됩니다.

public class Box<T> {
    T item;

    void setItem(T Item) {
        this.item = item;
    }

    T getItem() {
        return this.item;
    }
}

Box<T>에서 T는 '타입 변수'라고 하며, Type의 첫 글자에서 따온 것입니다.

 

타입변수는 T가 아닌 다른 것을 사용해도 됩니다.

ArrayList<E>의 경우 타입변수 E를 Element의 첫 글자를 따서 사용했습니다.
public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>

** package java.util 참고

 일반적으로 타입 변수가 여러 개인 경우에는 Map<K,V>와 같이 콤마를 구분자로 나열하면 됩니다.

Map에서 지네릭 타입변수는 K는 Key, V는 Value를 의미합니다. 무조건적으로 T를 사용하기 보다 상황에 맞게 의미있는 문자를 선택해서 사용하면 되겠습니다. 일반적으론 아래 표의 타입들이 많이 쓰입니다. 한 글자가 아니여도 상관없지만 통상적으로 한 글자로 사용.

타입	설명
<T>	Type
<E>	Element
<K>	Key
<V>	Value
<N>	Number

 

class Box<ㅋ> {
    ㅋ item;

    void setItem(ㅋ item) {
        this.item = item;
    }

    ㅋ getItem() {
        return this.item;
    }
}

• 이처럼 한글도 가능하지만 위 표처럼 사람들이 많이 쓰는 타입으로 명시하도록 합시다. 내 코드는 나만 읽는게 아니니까

 

Generics 용어

헷갈리기 쉬운 Generics 용어를 먼저 정리하고 넘어갑시다. 

 

class Box<T>

• Box<T> : Generic 클래스. 'T의 Box' 또는 'T Box' 라고 읽어요.
• Box : 원시 타입
• T : 타입 변수 또는 타입 매개변수. (T는 타입 문자)

 

Generic Class의 객체 생성, 사용

Generics 클래스가 된 Box 클래스의 객체를 생성할 때는 참조변수와 생성자에 타입 T 대신 사용될 실제 타입을 지정해주어야 합니다.

Box<String> b = new Box<String>();
b.setItem("ABC");
System.out.println("b.getItem() = " + b.getItem());

Box<Long> longBox = new Box<Long>();
longBox.setItem(1L);
System.out.println("longBox.getItem() = " + longBox.getItem());

만일 Box 클래스에 String만 담고 싶다면, 타입 변수를 선언하지 않고 직접 타입을 적어주는 것도 가능합니다. 예를 들어 위 코드처럼 String 타입으로 한정하여 타입변수를 작성하면 Box<String> b에는 String만 사용할 수 있습니다.

또는 클래스를 선언할 때 이렇게 타입을 미리 정해놓아 생성 시 Box<String>으로 제한하는 방법도 있습니다.

class Box<String> {
    String item;

    void setItem(String item) {
        this.item = item;
    }

    String getItem() {
        return this.item;
    }
}

• + 당연한 이야기겠지만, static 멤버는 인스턴스 변수를 참조할 수 없기 때문에 static 멤버에 타입변수 T를 사용할 수 없습니다.

 

Generic 클래스의 객체를 생성할 때는 반드시 지켜야할 룰이 있습니다.

반드시 생성자에 대입된 타입과 참조변수가 일치해야 합니다.

Box<String> b = new Box<Long>(); // Error
Box<String> b = new Box<String>(); // OK

+ 지네릭 클래스의 타입이 상속관계에 있을 때도 선언 시 타입 변수는 일치시켜 주어야 함.

class Box<T> {
    T item;

    void setItem(T item) {
        this.item = item;
    }

    T getItem() {
        return this.item;
    }
}

class RedBox<T> extends Box {}
}

Box<String> b = new RedBox<String>();

+ JDK 1.7 부터는 추정이 가능한 경우 생성자에 대입된 타입 생략할 수 있습니다.

Box<String> b = new Box<>();
Box<String> b = new Box<String>(); // 두 문장이 동일하게 동작합니다

+ 상속관계가 있는 타입변수를 사용할 때 또한, 선언 시 반드시 타입 변수를 일치 시켜주어야 하지만, 실제 생성 이후 사용할 때에는 자손 타입의 메소드가 메소드의 매개변수가 될 수 있습니다.

Box<Fruit> fruitBox = new Box<Fruit>();
fruitBox.add(new Fruit());
frutBox.add(new Apple());

➡️ "Apple extends Fruit라고 가정"

 

Generic Type 제한

class Box <T extends Fruit> {	
    ...
}

Generic Type 클래스 선언에서 extends 키워드로 특정 타입 변수만 들어오게 하도록 지정할 수 있습니다.

• 위 case의 경우, 객체 생성 시 Fruit의 자손 타입과 Fruit만 타입 변수로 지정 가능
• 만일 클래스가 아닌 인터페이스를 구현해야 한다는 제약이 있다해도 implements를 사용하지 않고 extends 키워드를 사용해야 한다는 점에 주의합시다.
  • interface Eatable{}
  • class FruitBox<T implements Eatable> ( X )
  • class FruitBox<T extends Eatable> ( O )
  • Fruit의 자손이면서 Eatable 인터페이스도 구현해야 한다면 '&' 기호로 연결합시다.
  • class FruitBox<T extends Fruit & Eatable>
    • 이제 FruitBox에는 Fruit의 자손이면서, Eatable을 구현한 클래스만 타입 매개변수 T에 들어올 수 있습니다.

 

Generic Type 와일드 카드

자바는 Generic 타입에 대해 공변성/반공변성을 지원하지 않습니다.

 

공변성은 서로 다른 타입이 상속관계일 때, 자손 타입으로 캐스팅할 수 있는 성질입니다. 

반공변성은 서로 다른 타입이 상속관계일 때, 부모 타입으로 캐스팅할 수 있는 성질입니다.

 

자바는 객체에 대해서는 아래처럼 공변성/반공변성을 지원하지만 제너릭 타입에 대해서는 지원하지 않습니다.

 

객체 타입은 상하 관계가 있습니다.

객체의 다형성(polymorphism)에 관한 성질로 객체는 Object 타입으로 선언한 parent 변수와 Integer 타입으로 선언한 child 변수가 있는데 객체 지향 프로그래밍에선 이들 끼리 서로 간에 캐스팅이 가능합니다.

Object o = new Integer(); // 다운 캐스팅
Integer i = new Object();  // 업캐스팅

 

제네릭 타입은 상하관계가 없습니다.

객체와 달리 제네릭의 타입 파라미터(꺾쇠 괄호) 끼리는 타입이 아무리 상속 관계에 놓인다 한들 캐스팅이 불가능합니다.

제네릭은 전달받은 딱 그 타입으로만 서로 캐스팅이 가능합니다.

ArrayList<Object> arrlist = new ArrayList<String>(); // 공변성 지원 X 컴파일 에러
ArrayList<Integer> arrlist = new ArrayList<Object>(); // 반공변성 지원 X 컴파일 에러

• 제너릭은 공변/반공변을 지원하지 않기 때문에 무공변의 성질을 지닌다라고 볼 수 있습니다.

공변성이 없는 제너릭 타입은 객체지향의 기능인 다형성을 사용할 수 없습니다. 

따라서 같은 기능을 하는 메소드를 만들고자 할 때, 여러 타입에 걸쳐 아래와 같이 오버로딩 해주어야 할 것 같지만, 오버로딩 또한 불가능합니다.

 

Why? 

자바에서는 컴파일 시점에 지네릭 타입을 제거해버리기 때문에 FruitBox라는 원시타입만 남게 됩니다. 따라서 자바는 컴파일 시점에 이를 오버로딩으로 보지 않고 '메소드 중복 정의'로 볼 수 밖에 없어 문제가 생깁니다.

public static void makeJuice(FruitBox<Fruit> box){
	String tmp = "";
    for(Fruit f : box.getList()){
    	System.out.println("Fruit = " + f);
    }
}

public static void makeJuice(FruitBox<Apple> box){
    for(Fruit f : box.getList()){
    	System.out.println("Apple = " + f);
    }
}

➡️ Apple은 Fruit의 자손타입이라고 가정.

 

이럴 때 사용하기 위해 고안된 것이 바로 '와일드 카드' 입니다. 

<? extends T> : 와일드 카드의 상한 제한, T와 그 자손들만 가능
<? super T> : 와일드 카드의 하한 제한, T와 그 조상들만 가능
<?> : 제한 X, 모든 타입이 가능. <? extends Object>와 동일
** 와일드 카드는 기호 '?'로 표현하고 ?에는 어떠한 타입도 들어올 수 있습니다.

와일드 카드에는 '&'를 사용할 수 없습니다.

 

상한 경계 <? extends T>

•  타입 매개변수의 범위는 T 클래스이거나 , T를 상속한 하위 클래스, 즉 T와 T의 자손만 가능.
• 상한 : 타입의 최고 한도가 T라는 뜻.

 

하한 경계 <? super T >

• 상한과 반대로 타입 매개변수의 범위가 T클래스 이거나 T의 조상 타입만 가능.
• 하한 : 타입의 최저 한도가 T라는 뜻.  

 

비경계 <?>

• 타입 매개변수의 범위에 제한이 없습니다. 즉 어느 타입이던 모두 가능!
• < ? extends Obejct > 와 동일한 표현 : 상한선이 Object.

 

이제 아래처럼 와일드 카드를 사용하면 Fruit을 포함한 모든 자손 타입의 FruitBox가 메소드의 매개변수로 넣을 수 있게 되었습니다.

static Juice makeJuice(FruitBox<? extends Fruit> box){
	String tmp = "";
    for(Fruit f : box.getList()) tmp += f + " ";
    return new Juice(tmp);
}

 

<참고자료>

https://mangkyu.tistory.com/241

[Java] 제네릭과 와일드카드 타입에 대해 쉽고 완벽하게 이해하기(공변과 불공변, 상한 타입과 하

https://www.yes24.com/Product/Goods/24259565

Java의 정석 - YES24