제네릭에 대해서 설명하고, 컬렉션 클래스에서 왜 제네릭을 사용하는 지 설명해주세요.
제네릭(generic)이란?
자바에서 제네릭(generic)이란 데이터의 타입(data type)을 일반화한다(generalize)는 것을 의미한다.
클래스나 메서드에서 사용할 내부 데이터 타입을 컴파일 시에 미리 지정하는 방법이다. 이를 통해 타입 안전성을 보장하고, 타입 변환에 따른 불필요한 코드를 줄일 수 있다.
예를 들어, Java의 ArrayList 클래스는 객체를 저장할 때 어떤 타입의 객체를 저장할 것인지 미리 지정할 수 있다. 이런 방식으로 사용하면, 컴파일러는 이 리스트에 잘못된 타입의 객체가 추가되는 것을 방지하며, 객체를 꺼낼 때 타입 변환을 수행하지 않아도 된다.
ArrayList<String> list = new ArrayList<String>();
list.add("hello"); // 올바른 사용
list.add(new Integer(5)); // 컴파일 오류
String s = list.get(0); // 타입 변환 불필요
제네릭을 사용하는 주요 이유는 다음과 같습니다:
- 타입 안전성(Type Safety): 제네릭을 사용하면 컴파일 시점에 타입 체크를 수행할 수 있으므로, 실행 시점에 발생할 수 있는 타입 변환 오류를 방지할 수 있다.
- 코드 간결성(Boilerplate code reduction): 제네릭을 사용하면, 개발자가 명시적으로 타입 변환을 수행하는 코드를 작성할 필요가 없어진다. 이로 인해 코드가 더 간결하고 읽기 쉬워진다.
따라서 컬렉션 클래스에서 제네릭을 사용하면, 컴파일 시점의 타입 체크와 함께 코드의 간결성과 가독성을 향상시킬 수 있다.
제네릭의 장점
1. 제네릭을 사용하면 잘못된 타입이 들어올 수 있는 것을 컴파일 단계에서 방지할 수 있다.
2. 클래스 외부에서 타입을 지정해주기 때문에 따로 타입을 체크하고 변환해줄 필요가 없다. 즉, 관리하기가 편하다.
3. 비슷한 기능을 지원하는 경우 코드의 재사용성이 높아진다.
제네릭의 사용방법
보통 제네릭은 아래 표의 타입들이 많이 쓰인다.
타입 설명
| <T> | Type |
| <E> | Element |
| <K> | Key |
| <V> | Value |
| <N> | Number |
물론 반드시 한 글자일 필요는 없다. 또한 설명과 반드시 일치해야 할 필요도 없다. 예로들어 <Ele>라고 해도 전혀 무방하다. 다만 대중적으로 통하는 통상적인 선언이 가장 편하기 때문에 위와같은 암묵적(?)인 규칙이 있을 뿐이다.
제네릭의 선언 및 생성
자바에서 제네릭은 클래스와 메소드에만 다음과 같은 방법으로 선언할 수 있다.
class MyArray<T> {
T element;
void setElement(T element) { this.element = element; }
T getElement() { return element; }
}
위의 예제에서 사용된 'T'를 타입 변수(type variable)라고 하며, 임의의 참조형 타입을 의미한다.
꼭 'T'뿐만 아니라 어떠한 문자를 사용해도 상관없으며, 여러 개의 타입 변수는 쉼표(,)로 구분하여 명시할 수 있다.
타입 변수는 클래스에서뿐만 아니라 메소드의 매개변수나 반환값으로도 사용할 수 있다.
위와 같이 선언된 제네릭 클래스(generic class)를 생성할 때에는 타입 변수 자리에 사용할 실제 타입을 명시해야 한다.
제한된 제네릭과 와일드 카드
<K extends T> // T와 T의 자손 타입만 가능 (K는 들어오는 타입으로 지정 됨)
<K super T> // T와 T의 부모(조상) 타입만 가능 (K는 들어오는 타입으로 지정 됨)
<? extends T> // T와 T의 자손 타입만 가능
<? super T> // T와 T의 부모(조상) 타입만 가능
<?> // 모든 타입 가능. <? extends Object>랑 같은 의미
보통 이해하기 쉽게 다음과 같이 부른다.
extends T : 상한 경계
? super T : 하한 경계
<?> : 와일드 카드(Wild card)
이 때 주의해야 할 게 있다. K extends T와 ? extends T는 비슷한 구조지만 차이점이 있다.
'유형 경계를 지정'하는 것은 같으나 경계가 지정되고 K는 특정 타입으로 지정이 되지만, ?는 타입이 지정되지 않는다는 의미다.
1. <K extends T>, <? extends T>
이 것은 T 타입을 포함한 자식(자손) 타입만 가능하다는 의미다. 즉, 다음과 같은 경우들이 있다.
<T extends B> // B와 C타입만 올 수 있음<T extends E> // E타입만 올 수 있음<T extends A>
// A, B, C, D, E 타입이 올 수 있음<? extends B> // B와 C타입만 올 수 있음<? extends E>
// E타입만 올 수 있음<? extends A> // A, B, C, D, E 타입이 올 수 있음
주석에 썼듯이 보면 알겠지만, 상한 한계. 즉 extends 뒤에 오는 타입이 최상위 타입으로 한계가 정해지는 것이다.
대표적인 예로는 제네릭 클래스에서 수를 표현하는 클래스만 받고 싶은 경우가 있다. 대표적인 Integer, Long, Byte, Double, Float, Short 같은 래퍼 클래스들은 Number 클래스를 상속 받는다.
즉, Integer, Long, Byte, Double, Float, Short 같은 수를 표현하는 래퍼 클래스만으로 제한하고 싶은 경우 다음과 같이 쓸 수 있다.
public class ClassName <K extends Number> { ... }
이렇게 특정 타입 및 그 하위 타입만 제한 하고 싶을 경우 쓰면 된다. 좀 더 구체적으로 예로 들자면, 다음과 같다. Integer는 Number 클래스를 상속받는 클래스라 가능하지만, String은 Number클래스와는 완전 별개의 클래스이기 때문에 에러(Bound mismatch)를 띄운다.
public class ClassName <K extends Number> { ...}
public class Main {
public static void main(String[] args) {
ClassName<Double> a1 = new ClassName<Double>();
// OK! ClassName<String> a2 = new ClassName<String>(); // error!
}
}
2. <K super T>, <? super T>
이 것은 T 타입의 부모(조상) 타입만 가능하다는 의미다. 즉, 다음과 같은 경우들이 있다.
<K super B>
// B와 A타입만 올 수 있음<K super E>
// E, D, A타입만 올 수 있음<K super A>
// A타입만 올 수 있음<? super B>
// B와 A타입만 올 수 있음<? super E>
// E, D, A타입만 올 수 있음<? super A>
// A타입만 올 수 있음
주석에 썼듯이 보면 알겠지만, 하한 한계. 즉 super 뒤에 오는 타입이 최하위 타입으로 한계가 정해지는 것이다.
대표적으로는 해당 객체가 업캐스팅(Up Casting)이 될 필요가 있을 때 사용한다.
예로들어 '과일'이라는 클래스가 있고 이 클래스를 각각 상속받는 '사과'클래스와 '딸기'클래스가 있다고 가정해보자.
이 때 각각의 사과와 딸기는 종류가 다르지만, 둘 다 '과일'로 보고 자료를 조작해야 할 수도 있다. (예로들면 과일 목록을 뽑는다거나 등등..) 그럴 때 '사과'를 '과일'로 캐스팅 해야 하는데, 과일이 상위 타입이므로 업캐스팅을 해야한다. 이럴 때 쓸 수 있는 것이 바로 super라는 것이다.
조금 더 현실성 있는 예제라면 제네릭 타입에 대한 객체비교가 있다.
public class ClassName <E extends Comparable<? super E>> { ... }
특히 PriorityQueue(우선순위 큐), TreeSet, TreeMap 같이 값을 정렬하는 클래스 만약 여러분이 특정 제네릭에 대한 자기 참조 비교를 하고싶을 경우 대부분 공통적으로 위와 같은 형식을 취한다.
extends는 앞서 말했듯 extends 뒤에오는 타입이 최상위 타입이 되고, 해당 타입과 그에 대한 하위 타입이라고 했다. 그럼 역으로 생각해보면 이렇다. E 객체는 반드시 Comparable을 구현해야한다는 의미
public class SaltClass <E extends Comparable<E>> { ... }
public class Student implements Comparable<Student> {
@Override
public int compareTo(Person o) { ... };}
public class Main {
public static void main(String[] args) {
SaltClass<Student> a = new SaltClass<Student>(); }}
이렇게만 쓴다면 E extends Comparable<E> 까지만 써도 무방하다.
즉, SaltClass의 E 는 Student 이 되어야 하는데, Comparable<Student> 의 하위 타입이어야 하므로 거꾸로 말해 Comparable을 구현해야한다는 의미인 것이다.
그러면 왜 Comparable<E> 가 아닌 <? super E> 일까?
잠깐 설명했지만, super E는 E를 포함한 상위 타입 객체들이 올 수 있다고 했다.
만약에 위의 예제에서 학생보다 더 큰 범주의 클래스인 사람(Person)클래스를 둔다면 어떻게 될까? 한마디로 아래와 같다면?
public class SaltClass <E extends Comparable<E>> { ... }
// Error가능성 있음
public class SaltClass <E extends Comparable<? super E>> { ... }
// 안전성이 높음
public class Person {...}
public class Student extends Person implements Comparable<Person> {
@Override
public int compareTo(Person o) { ... };}
public class Main {
public static void main(String[] args) {
SaltClass<Student> a = new SaltClass<Student>(); }}
쉽게 말하면 Person을 상속받고 Comparable 구현부인 comparTo에서 Person 타입으로 업캐스팅(Up-Casting) 한다면 어떻게 될까?
만약 <E extends Comparable<E>>라면 SaltClass<Student> a 객체가 타입 파라미터로 Student를 주지만, Comparable에서는 그보다 상위 타입인 Person으로 비교하기 때문에 Comparable<E>의 E인 Student보다 상위 타입 객체이기 때문에 제대로 정렬이 안되거나 에러가 날 수 있다.
그렇기 때문에 E 객체의 상위 타입, 즉 <? super E> 을 해줌으로써 위와같은 불상사를 방지할 수가 있는 것이다.
즉, <E extends Comparable<? super E>> 는 쉽게 말하자면 E 타입 또는 E 타입의 슈퍼클래스가 Comparable을 의무적으로 구현해야한다는 뜻으로 슈퍼클래스타입으로 Up Casting이 발생하더라도 안정성을 보장받을 수 있다.
이 부분은 중요한 것이 이후 필자가 PriorityQueue와 TreeSet 자료구조를 구현할 것인데, 이 부분을 이해하고 있어야 가능하기 때문에 조금은 어렵더라도 미리 언급하고 가려한다.
<E extends Comparable<? super E>> 에 대해 설명이 조금 길었다. 이 긴 내용을 한 마디로 정의하자면 이렇다.
"E 자기 자신 및 조상 타입과 비교할 수 있는 E"
3. <?> (와일드 카드 : Wild Card)
마지막으로 와일드 카드다.
이 와일드 카드 <?> 은 <? extends Object> 와 마찬가지라고 했다. Object는 자바에서의 모든 API 및 사용자 클래스의 최상위 타입이다. 한마디로 다음과 같은 의미나 마찬가지다.
public class ClassName { ... }public class ClassName extends Object { ... }
public class ClassName extends Object {} 를 묵시적으로 상속받는 것이나 다름이 없다.
한마디로 <?>은 무엇이냐. 어떤 타입이든 상관 없다는 의미다. 당신이 String을 받던 어떤 타입을 리턴 받던 알빠 아니라는 조금 과격한 얘기..
이는 보통 데이터가 아닌 '기능'의 사용에만 관심이 있는 경우에 <?>로 사용할 수 있다.
제네릭의 제거 시기
자바 코드에서 선언되고 사용된 제네릭 타입은 컴파일 시 컴파일러에 의해 자동으로 검사되어 타입 변환된다.
그리고서 코드 내의 모든 제네릭 타입은 제거되어, 컴파일된 class 파일에는 어떠한 제네릭 타입도 포함되지 않게 된다.
이런 식으로 동작하는 이유는 제네릭을 사용하지 않는 코드와의 호환성을 유지하기 위해서이다.
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