type bounds: covariance, contravariance, invariance

invariance

covariance (upper bound)

contravariance (lower bound)

type bounds: covariance, contravariance, invariance

공변(Covariance), 반공변(Contravariance), 불공변(Invariance)은 변성(variance), 상속 관계와 타입 대체 가능성에 대한 개념으로 자바는 제네릭에 이 개념을 적용한다

주로 제네릭의 타입 매개변수가 상위 타입 관계(subtyping)를 어떻게 유지하는지에 따라 공변, 반공변, 불공변으로 나눈다

invariance

불공변은 상속 관계가 유지되지 않는 관계를 말한다

A가 B의 하위 타입이어도 Foo<A>는 Foo<B>는 서로 아무런 상속 관계를 가지지 않는다

자바의 제네릭은 기본적으로 불공변 특징을 갖는다

따라서 서로 다른 제네릭 타입 간에는 상속 관계와 상관없이 서로 다른 것으로 판단한다

아래의 세 개의 리스트는 모두 자바의 불공변으로 인해 컴파일 오류가 발생한다

List<Number> list1 = new ArrayList<Integer>();
List<Number> list2 = new ArrayList<Long>();
List<Number> list3 = new ArrayList<Double>();

불공변이라는 특성으로 인해 타입 안정성을 높일 수 있지만 유연성이 너무나 떨어지는 단점이 있다

그래서 자바의 제네릭은 공변과 반공변이라는 개념을 지원하여 타입 매개변수와 그와 상속 관계에 놓인 다른 타입까지 허용하게끔 동작한다

covariance (upper bound)

공변은 같은 방향으로 유지되는 상속 관계(자식에서 부모로)를 말한다

A가 B의 하위 타입이면(A가 B를 상속, 확장한 경우) Foo<A>는 Foo<B>를 허용하는 것이 공변이다

자바에서의 공변은 upper bound 와일드카드/타입 매개변수를 사용해서 적용된다

upper bound 와일드카드/타입 매개변수

upper bound 와일드카드: ? extends upperBound

upper bound 타입 매개변수: T extends upperBound

upperBound에 타입을 지정하면 해당 타입과 그 하위 타입을 모두 허용한다

// <? extends Number>를 upper bound로 지정하면, Number와 자식 타입인 Interger, Long 등의 타입을 허용한다
List<? extends Number> list = new ArrayList<Number>();
List<? extends Number> list = new ArrayList<Integer>();
List<? extends Number> list = new ArrayList<Long>();

producer extends

extends 키워드는 자식 타입을 허용하는 것 이외에도 추가적인 제약이 따른다

자바 컬렉션, Map에 extends 키워드를 적용한 경우 읽기(조회)는 허용하지만 새 데이터를 추가(삽입)할 수 없다

반대로 설명하면 어떤 데이터들을 가지고 있는 컬렉션이 있는데, 이 컬렉션은 자신이 가지고 있는 데이터를 다른 객체에게 전달할 수 있지만 새로운 데이터를 자신의 컬렉션에 넣을 수 없게 제한한다

왜일까?

만약 서로 다른 타입끼리 컬렉션에 데이터를 삽입한다면 런타임에 여러 타입이 뒤죽박죽 섞여서 ClassCastException이 발생하고 말 것이다

이러한 이유로 extends 키워드를 사용하면 해당 컬렉션에 새 데이터 삽입을 제한한다 (설령 upper bound으로 지정한 타입으로 삽입하려고 한다 하더라도)

따라서 producer(데이터를 보유하고 제공(반환)해주는 객체, 일반적으로 컬렉션이나 Map)는 extends 키워드를 사용하여 자신의 타입 안정성을 유지할 수 있다

추가적으로 upper bound가 아닌 하위 타입으로 데이터를 조회하는 경우 해당 타입으로 명시적인 타입 캐스팅이 필요하다

// extends 키워드를 사용하여 upper bound와 그 하위 타입으로 타입 매개변수를 제한한다
List<? extends Number> upperBoundList = new ArrayList<>();

// 아래의 삽입 코드는 모두 컴파일 에러가 발생한다
upperBoundList.add(1);
upperBoundList.add(1L);
upperBoundList.add(1F);

// 대신 데이터를 조회할 수 있다
Number n = upperBoundList.getFirst();

// 하위 타입으로 조회하는 경우 명시적인 타입 캐스팅이 필요하다
Integer i = (Integer) upperBoundList.getFirst();

contravariance (lower bound)

반공변은 반대 방향으로 유지되는 상속 관계(부모에서 자식으로)를 말한다

A가 B의 하위 타입이면(A가 B를 상속, 확장한 경우) Foo<B>는 Foo<A>을 허용한다

자바에서의 공변은 lower bound 와일드카드/타입 매개변수를 사용해서 적용된다

lower bound 와일드카드/타입 매개변수

lower bound 와일드카드: ? extends lowerBound

lower bound 타입 매개변수: T extends lowerBound

lowerBound에 타입을 지정하면 해당 타입과 그 상위 타입을 모두 허용한다

// <? extends Integer>를 lower bound로 지정하면, Interger와 상위 타입인 Number, Object 타입을 허용한다
List<? extends Integer> list = new ArrayList<Integer>();
List<? extends Integer> list = new ArrayList<Number>();
List<? extends Integer> list = new ArrayList<Object>();

consumer super

extends 키워드와 비슷하게 단순히 super 키워드는 상위 타입을 허용하는 것 이외에도 추가적인 제약이 따른다

자바 컬렉션, Map에 super 키워드를 적용한 경우 추가(삽입)은 허용하지만 읽기(조회)를 Object 타입으로만 제한한다

반대로 설명하면 어떤 데이터들을 가지고 있는 컬렉션이 있는데, 이 컬렉션에 새로운 데이터를 추가할 수 있지만 자신이 가지고 있는 데이터를 다른 객체에게 전달할 수 없다

왜일까?

super 키워드는 제한된 제네릭 타입 매개변수 중 최하위 타입을 지정한다

extends의 경우 최상위 타입(upper bound)을 지정하고 그 아래로는 열려 있어 런타임에 어떤 타입이 들어올지 모르지만, super의 경우 최하위(lower bound)와 최상위(Object)가 결정되어 있으므로 안전하게 데이터를 삽입할 수 있다

하지만 어떤 타입이 삽입됐는지 알 수 없기 때문에 extends와 다르게 데이터를 Object 타입으로만 조회할 수 있다 (명시적인 타입 캐스팅을 적용하면 조회할 수 있다)

따라서 consumer(다른 곳으로부터 데이터를 전달받는 객체)는 super 키워드를 사용하여 안전하게 데이터를 삽입할 수 있다

// super 키워드를 사용하여 lower bound와 그 상위 타입으로 타입 매개변수를 제한한다
List<? super Integer> lowerBoundList = new ArrayList<Number>();

// lower bound는 데이터를 추가할 수 있다(consumer)
lowerBoundList.add(10);
lowerBoundList.add(20);
lowerBoundList.add(30);

// 대신 데이터에 접근할 수 없다
// Number n = lowerBoundList.get(0);
// Integer i = lowerBoundList.get(0);

// 명시적인 타입 캐스팅으로 특정 타입으로 접근할 수 있다
Number n = (Number) lowerBoundList.getFirst();
Integer i = (Integer) lowerBoundList.get(1);

공변 vs 반공변 vs 불공변

	java 키워드	읽기	쓰기	기타
공변	? extends ReferenceType	가능	불가능	데이터 생산(producer): 상위 타입으로 읽을 수 있으나 쓸 수 없다 - 타입 안전한 읽기
반공변	? super ReferenceType	제한적(Object)	가능	데이터 소비(consumer): 하위 타입으로 쓸 수 있으나 읽을 수 없다 - 타입 안전한 쓰기
불공변	ReferenceType	가능	가능	타입 고정(정확히 동일한 타입만 사용): 상속 관계를 고려하지 않는다 - 타입 고정