Variance

들어가며

• 제네릭을 다루게 되면 매번봐도 이해가 잘 안되는 단어들이 매번 등장한다.
  • 변성, 공변, 반공변, 그리고 무공변
• 역시 제대로 이해하기 위해 정리합니다 :)

가변성(Variance)이란?

Variance refers to how subtyping between more complex types relates to subtyping between their components.

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  • Variance는 더 복잡한 유형 간의 하위 유형이 해당 구성 요소 간의 하위 유형과 관련되는 방식을 나타냅니다.
• 역시 이해가 안되니 가장 작은 단어인 subtype에 대해 알아보자.

Subtyping이란?

a subtype is a datatype that is related to another datatype (the supertype) by some notion of substitutability

• A라는 Data type이 B라는 Data type을 대체할 수 있을 경우

  • 이때 A는 B의 Subtype이라고 말할 수 있다.
  • B는 A의 Supertype이라고 말할 수 있다.
  • 역할을 대체가 가능한지가 Subtype의 중요한 포인트인거 같다.
  • Liskov substitution principle
  • Category Theory

• 간단한 예를 들어보자.

• bird라는 클래스가 존재하고 하위에 duck, cuckoo, ostrich라는 클래스가 존재한다.

• duck, cuckoo, ostrich는 bird라는 고유의 특성을 가지고 있으며 각자의 특성을 가지고 있다.

• 그렇기 때문에 bird와 duck, cuckoo, ostrich는 supertype - subtype의 관계를 가지고 있다.

  • 이 관계는 duck, cuckoo, ostrich <: bird 로 표기할 수 있다.
  • 여기까지는 이해가 잘 된다.

• 이제 코드를 통해 이해해보자.

  • 아래의 그림은 Java의 Collection Subtyping 관계도를 표현한 것이다.

• Cat <: Animal의 관계일때
  • 그림을 보면 List<Cat> <: List<Animal>이 성립하지 않는 것을 확인할 수 있다.

왜 자연스럽지 못하여 이해하기 어려운 것일까?

• 예를 들어 Animal은 여러가지의 Subtype을 가지고 있다고 가정해보자

  • Dog, Cat, Bird와 같은 Subtype이 있다.

• 아래의 코드는 아무 문제가 없다.

  • Animal의 Subtype인 Dog, Cat, Bird는 대체 가능하다.

List<Animal> animals = new ArrayList<>();
animals.add(dog); // dog
animals.add(cat); // cat
animals.add(bird); // bird

조금 더 확장해서 List<Cat>는 List<Animal>의 Subtype인가?

• 즉 대체가능한가?라는 관점에서 바라보자

• 아래의 코드는 컴파일 에러가 발생한다.

  • 왜 컴파일 에러가 발생할까?

List<Cat> cats = new ArrayList<>();
cats.add(smallCat);
cats.add(bigCat);
 
List<Animal> animals = cats // compile error

• List<Cat>은 배열을 Heap 메모리에 생성하며 주소를 할당받는다.
  • List<Animal> = List<Cat>이 가능하게 된다면?
  • 두 개의 List는 같은 메모리 주소를 가지게된다.
  • 이때 List<Animal>에 Dog를 넣게 되면 어떻게 될까?
    • Dog는 Animal의 Subtype이기 때문에 Dog는 List<Animal>에 추가가 된다.
    • 같은 주소를 가지고 있던 List<Cat>는 엉뚱한 Dog가 들어와 Type이 깨지게 되는 상황이 발생한다.
    • 타입 안정성을 위해 Java에서는 공변을 허용하지 않는다.
    • 반대 상황(List<Animal> <: List<Cat>)도 허용하지 않는다.
    • Reference

하지만 이런 상황은?

• List<Animal>이 단순히 읽기만 한다면?
  • 즉 변경하지 않는 상황이라면 타입 안정성이 깨질 이유가 없지 않을까?
  • 이렇게 사용하면 더 편하지 않을까?
  • Java의 Wildcard를 통해 해결할 수 있다.

가변성(Variance) 종류에 대해

• 공변(Covariant)
  • Subtype은 허용하지만 SuperType은 허용하지 않는 경우
• 반공변(Contravariant)
  • SuperType은 허용하지만 Subtype은 허용하지 않는 경우
• Bivariant
  • SuperType, Subtype 둘 다 허용하는 경우
• 무공변(Invariant)
  • SuperType, Subtype 둘 다 허용하지 않는 경우

Reference

• https://asuraiv.tistory.com/17?category=813980
• https://cla9.tistory.com/44?category=814455
• http://happinessoncode.com/2017/05/22/java-generic-and-variance-2/
• https://woowacourse.github.io/javable/post/2020-11-09-generics-basic/
• https://medium.com/mj-studio/%EC%BD%94%ED%8B%80%EB%A6%B0-%EC%A0%9C%EB%84%A4%EB%A6%AD-in-out-3b809869610e
• https://docs.oracle.com/javase/tutorial/java/generics/inheritance.html
• https://docs.oracle.com/javase/tutorial/java/generics/subtyping.html
• https://docs.oracle.com/javase/tutorial/java/generics/nonReifiableVarargsType.html
• https://dzone.com/articles/covariance-and-contravariance