[Typescript] Narrowing

HoonDong_K·2024년 12월 22일

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function padLeft(padding: number | string, input: string): string {
  throw new Error("Not implemented yet!");
}

만약 padding이 숫자형 타입이라면, input에 추가할 공백의 개수로 취급할 것이다. 반면에 padding이 문자열일 경우, 해당 문자열을 input 값 앞에 그대로 추가할 것이다.

padding이 숫자일 경우에 대해서 로직을 설계해보자.

function padLeft(padding: number | string, input: string): string {
 return " ".repeat(padding) + input;
Argument of type 'string | number' is not assignable to parameter of type 'number'.
 Type 'string' is not assignable to type 'number'.
}

padding에 대해서 에러가 발생하였다. 타입스크립트는 number | string 타입에 number 타입만 갖고 있는 repeat 함수를 호출하는 것에 대해 오류를 발생시켰다.

다시 말해, 우리는 padding이 숫자인지 먼저 명시적으로 확인하지 않았으며, 문자열일 경우를 처리하지 않았습니다.

function padLeft(padding: number | string, input: string): string {
  if (typeof padding === "number") {
    return " ".repeat(padding) + input;
  }
  return padding + input;
}

타입스크립트의 타입 시스템은 타입 안전성을 확보 하면서 최대한 일반적인 자바스크립트 코드를 쉽게 만들어주는 것을 목표로 한다.

그렇게 보이지는 않겠지만, 사실 이 코드 아래에서는 수많은 일들이 발생하고 있습니다. 타입스크립트가 정적 타입을 이용하여 런타임 값들을 분석하는 것처럼, if/else, 삼항 연산자, 반복문, 참/거짓 검사 등과 같은 자바스크립트의 런타임 제어 흐름 구조의 타입 분석과 겹쳐보입니다.

if 검사 안에서 타입스크립트는 typeof padding === "number" 를 보고 type guard라고 불리는 특별한 형태의 코드를 이해합니다. 타입스크립트는 주어진 상황에서 값이 가질 수 있는 가장 정확한 타입을 분석하는 방법을 선택합니다.

특별한 검사(type guards)와 할당 그리고 더 구체적인 타입으로 선언하는 과정을 narrowing이라고 합니다.

`typeof` type guards

자바스크립트는 typeof 연산자를 제공하여 런타임에서 값들의 타입에 대한 가장 기본적인 정보를 줍니다. 타입스크립트는 이 연산자가 아래의 집합을 리턴해줄 것이라 예상합니다.

string / number / bigint / boolean / symbol / undefined / object / function

padLeft에서 보았듯, 이 연산자는 자바스크립트 라이브러리에서 자주 나오며 타입스크립트는 여러 갈래에서 좁혀진 타입들로 인식을 합니다.

타입스크립트에서 typeof로 값을 검사하는 것을 type guard라고 합니다.

function printAll(strs: string | string[] | null) {
  if (typeof strs === "object") {
    for (const s of strs) {
//'strs' is possibly 'null'.
      console.log(s);
    }
  } else if (typeof strs === "string") {
    console.log(strs);
  } else {
    // do nothing
  }
}

printAll 함수에서 우리는 strs가 배열일 경우에 object일 것이라 검사합니다. 하지만 자바스크립트에서 typeof null 또한 object입니다.

타입스크립트는 우리가 strs이 string[]이 아닌 string[] | null 이라고 좁혀서 알려주었을 뿐입니다.

Truthiness narrowing

Truthiness는 사전에 있는 단어는 아니지만 자바스크립트에서 많이 들었을 겁니다.

JavaScript에서는 조건문, &&, ||, if 문, 불리언 부정(!) 등에서 어떤 표현식이든 사용할 수 있습니다. 예를 들어, if 문은 조건이 항상 boolean 타입일 것으로 기대하지 않습니다.

function getUsersOnlineMessage(numUsersOnline: number) {
  if (numUsersOnline) {
    return `There are ${numUsersOnline} online now!`;
  }
  return "Nobody's here. :(";
}

자바스크립트에서 if와 같은 구조에서 조건을 이해하기 위해 먼저 조건값을 boolean 형태로 강제 변환시킨 후에 true / false에 따라 값은 처리합니다.

0 / NaN / "" / 0n / null / undefined

값들은 모두 false로 처리되며 이 외에는 true로 변환됩니다. 당신은 Boolean 함수 혹은 이중 부정 연산자(!!) 일 이용해서 boolean 값으로 변환시킬 수 있습니다.

// both of these result in 'true'
Boolean("hello"); // type: boolean, value: true
!!"world"; // type: true,    value: true
//This kind of expression is always truthy.

null이나 undefined와 같은 값들로부터 guarding 하기 위해 사용되는 방식이기도 합니다.

function printAll(strs: string | string[] | null) {
  if (strs && typeof strs === "object") {
    for (const s of strs) {
      console.log(s);
    }
  } else if (typeof strs === "string") {
    console.log(strs);
  }
}

strs가 참인 지 검사하는 방식으로 에러를 제거할 수 있습니다.. 최소한 TypeError: null is not iterable 와 같은 오류를 예방시켜줄 수 있습니다.

원시값에 참/거짓을 검사하는 것은 가끔 오류가 발생할 수도 있습니다.

function printAll(strs: string | string[] | null) {
  // !!!!!!!!!!!!!!!!
  //  DON'T DO THIS!
  //   KEEP READING
  // !!!!!!!!!!!!!!!!
  if (strs) {
    if (typeof strs === "object") {
      for (const s of strs) {
        console.log(s);
      }
    } else if (typeof strs === "string") {
      console.log(strs);
    }
  }
}

해당 함수 전체를 truthy 검사로 감싸는 방식은 미묘한 단점을 가질 수 있습니다. (빈 문자열 "" 을 올바르게 처리하지 못한다는 점이죠)

타입스크립트는 초기 단계에서 버그를 잡는데 도움이 될 수 있지만, 개발자가 해당 값에 대해서 아무런 조치를 취하지 않는다면 할 수 있는 일이 제한적입니다.
(빈 문자열"" 에 대해서 개발자가 아무런 조치를 취하지 않음 -> TS에서 버그를 잡지 않음)

참/거짓 검사에서 narrowing을 하는 한 가지 추가적인 방법은! boolean 부정을 통해 검사하는 방식이다.

function multiplyAll(
  values: number[] | undefined,
  factor: number
): number[] | undefined {
  if (!values) {
    return values;
  } else {
    return values.map((x) => x * factor);
  }
}

Equality narrowing

function example(x: string | number, y: string | boolean) {
  if (x === y) {
    // We can now call any 'string' method on 'x' or 'y'.
    x.toUpperCase();
          
(method) String.toUpperCase(): string
    y.toLowerCase();
          
(method) String.toLowerCase(): string
  } else {
    console.log(x);
               
(parameter) x: string | number
    console.log(y);
               
(parameter) y: string | boolean
  }
}

해당 예제에서 x와 y값은 동일하다고 검사하고 있지만 타입스크립트는 해당 타입들 또한 같아야 한다고 인지하고 있습니다. string은 x와 y가 갖는 공통 타입이고 첫번째 분기에서 두 값은 동일하다고 인지합니다.

변수가 아닌 특정 리터럴 값 또한 비교할 수 있습니다. truthiness narrowing 부분에서 printAll함수는 빈 문자열을 제대로 ㅓ처리하지 못하여 에러가 발생하였습니다. 대신에 우리는 null타입을 막는 검사를 추가하면 strs에서 null을 완전히 제거할 수 있습니다.

function printAll(strs: string | string[] | null) {
  if (strs !== null) {
    if (typeof strs === "object") {
      for (const s of strs) {
        console.log(s);
      }
    } else if (typeof strs === "string") {
      console.log(strs);
    }
  }
}

자바스크립트에서 ==와 !=와 같은 느슨한 비교 또한 정확하게 좁혀집니다. == null은 null 뿐만 아니라 undefined 또한 포함되며 그 반대도 성립됩니다.

interface Container {
  value: number | null | undefined;
}
 
function multiplyValue(container: Container, factor: number) {
  // Remove both 'null' and 'undefined' from the type.
  if (container.value != null) {
    console.log(container.value);
    // Now we can safely multiply 'container.value'.
    container.value *= factor;
  }
}

The `in` operator narrowing

자바스크립트에는 객체이거나 그 프로토타입 체인에 특정 이름의 속성을 갖는지 확인하는 in 연산자가 있습니다. 타입스크립트는 이를 이용하여 타입을 좁혀가는 방식을 사용합니다.

예를 들어, value in x에서 value는 문자열 리터럴이고 x는 유니온 타입입니다. true인 경우에 x는 필수 혹은 선택적(optional)으로 value 속성을 갖으며 false일 때는 선택적 혹은 value를 갖고 있지 않습니다.

type Fish = { swim: () => void };
type Bird = { fly: () => void };
 
function move(animal: Fish | Bird) {
  if ("swim" in animal) {
    return animal.swim();
  }
 
  return animal.fly();
}

다시 말해, 선택적 속성은 narrowing에서 양쪽 모두에서 등장할 수 있습니다. 예로 사람은 모두 수영을 하거나 날 수 있으며 그렇기에 in 검사에서 양쪽에 등장해야합니다.

type Fish = { swim: () => void };
type Bird = { fly: () => void };
type Human = { swim?: () => void; fly?: () => void };
 
function move(animal: Fish | Bird | Human) {
  if ("swim" in animal) {
    animal;
 else {
    animal;

}

`instanceof` narrowing

자바스크립트는 하나의 값이 다른 값의 "인스턴스"인지 확인하는 연산자가 있습니다. 더 자세히는 x instanceof Foo는 x의 프로토타입 체인에 Foo.prototype이 있는지 검사하는 것입니다. 더 깊게 가진 않지만 클래스를 살펴볼 때 많이 접할 수 있을 것입니다. 이 연산자는 new와 함께할 때 더 실용적이거든요. instanceof는 type guard이며 타입스크립트는 instaceof를 통해 여러 분기로 좁혀 검사합니다.

function logValue(x: Date | string) {
  if (x instanceof Date) {
    console.log(x.toUTCString());
  } else {
    console.log(x.toUpperCase());
  }
}

Assignments

아무런 변수에 할당을 할 때, 타입스크립트는 할당문의 오른쪽 값을 확인하고 왼쪽 변수의 타입을 좁힙니다.

let x = Math.random() < 0.5 ? 10 : "hello world!"; //string | number
x = 1; // number
x = "goodbye!"; // string

각각의 할당이 유효하다는 점을 주목하세요. 첫 할당 이후에 x는 number로 변경되었음에도 여전히 문자열을 할당할 수 있습니다. 이것은 첫 할당 시에 string | number의 타입을 갖고 있었기 때문에 선언된 타입을 통해 할당 가능성(assignability) 을 검사하게 됩니다.

만약 x에 boolean을 할당하려고 했으면 선언된 타입에 포함되지 않았기 때문에 오류가 발생했었을 것입니다.

Control flow analysis

지금까지는 타입스크립트에서 특정 분기로 좁혀가는 방식을 예로 들며 봐왔습니다. 하지만 단순히 모든 변수를 따라 올라가며 if, while, 조건문 등에서 타입 가드를 찾는 것 이상으로 이루어집니다. 예를 들어,

function padLeft(padding: number | string, input: string) {
  if (typeof padding === "number") {
    return " ".repeat(padding) + input;
  }
  return padding + input;
}

padLeft는 첫 if문에서 반환되기 때문에 타입스크립트는 나머지 본문에 padding이 number인 경우에 도달할 수 없는 것을 파악합니다. 그 결과, 나머지 함수 내에 padding의 타입에서 number를 제거(sting | number 타입에서 좁히기)할 수 있었습니다.

이와 같은 코드의 도달 가능성에 따른 분석을 제어 흐름 분석(control flow analysis) 라고 하며 타입스크립트는 이 흐름 분석을 타입 가드와 할당을 만날 때마다 활용하여 타입을 좁혀갑니다. 변수가 분석될 때, 제어 흐름은 여러 번 분기되고 병합될 수 있으며 각 지점마다 다른 타입으로 관찰될 수 있습니다.

Using type predicates

지금까지는 현존하는 자바스크립트 구성에서 narrowing을 다루는 방식을 살펴보았지만 타입 변화에 대해 더 세밀한 조작을 원할 수도 있을 것입니다.

사용자 정의 타입 가드를 정의하려면, 타입 술어(type predicate) 를 반환하는 함수만 정의하면 됩니다.

function isFish(pet: Fish | Bird): pet is Fish {
  return (pet as Fish).swim !== undefined;
}

pet is Fish는 타입 술어에 해당합니다. 술어는 parameterName is Type과 같은 형태를 띄며 parameterName은 현 함수 시그니처에서 매개변수의 이름이어야 한다.

isFish가 다른 변수와 함께 사용될 때, 타입스크립트는 만약 기존 타입이 호환 가능하다면 특정 타입으로 좁혀집니다.

let pet = getSmallPet();
 
if (isFish(pet)) {
  pet.swim();
} else {
  pet.fly();
}

타입스크립트는 if문 안에서만 pet이 Fish인 것을 알고 있다. 즉, else문에서는 Fish가 올 수 없기 때문에 Bird가 와야만 한다.

isFish 타입 가드를 Fish | Bird 배열에서 사용하여 Fish 배열을 얻을 수도 있다.

const zoo: (Fish | Bird)[] = [getSmallPet(), getSmallPet(), getSmallPet()];
const underWater1: Fish[] = zoo.filter(isFish);
// or, equivalently
const underWater2: Fish[] = zoo.filter(isFish) as Fish[];
 
// The predicate may need repeating for more complex examples
const underWater3: Fish[] = zoo.filter((pet): pet is Fish => {
  if (pet.name === "sharkey") return false;
  return isFish(pet);
});

Assertion Functions

assert(someValue === 42);

해당 예제에서 someValue는 42와 동일하지 않을 경우 assert은 AssertionError를 던진다.

자바스크립트에서 Assertions은 잘못된 타입이 전달되는 경우를 방지하기 위해 사용된다.

function multiply(x, y) {
  assert(typeof x === "number");
  assert(typeof y === "number");
  return x * y;
}

타입스크립트에서는 해당 검사들이 제대로 인코딩되지 않는다. 느슨하게 타입이 지징된 코드에서 타입스크립트는 코드 검사를 덜 하게 되고, 조금 더 엄격한 타입 검사를 실행시키기 위해서는 사용자들에게 type assertions를 사용하도록 강제되곤 하였습니다.

function yell(str) {
  assert(typeof str === "string");
  return str.toUppercase();
  // Oops! We misspelled 'toUpperCase'.
  // Would be great if TypeScript still caught this!
}

언어가 코드를 분석할 수 있도록 코드를 수정시킬 수는 있지만 편리한 방식은 아닙니다.

function yell(str) {
  if (typeof str !== "string") {
    throw new TypeError("str should have been a string.");
  }
  // Error caught!
  return str.toUppercase();
}

궁극적으로 타입스크립트의 목표는 기존 자바스크립트 코드 구조에 적은 영향을 주며 타입을 추가시키는 것입니다. 이러한 이유로, 타입스크립트 3.7에서 assertion signatures라는 개념이 도입되었습니다.

첫 Assetion Signature 유형은 Node.js의 assert함수가 작동하는 방식을 모델링합니다. 이 기능은 검사 중인 조건이 해당 스코프의 나머지 코드에서 반드시 참임을 보장합니다.

function assert(condition: any, msg?: string): asserts condition {
  if (!condition) {
    throw new AssertionError(msg);
  }
}

asserts condition은 condition 매개변수에 어떤 값이 전달되든 assert가 반환된다면 (예외를 던지지 않는다면) 항상 참입니다. 이는 런타임에서 조건이 검증된 후, 해당 스코프의 나머지 코드에서 컴파일러가 이 조건을 항상 참으로 간주하도록 만듭니다.

function yell(str) {
  assert(typeof str === "string");
  return str.toUppercase();
  //         ~~~~~~~~~~~
  // error: Property 'toUppercase' does not exist on type 'string'.
  //        Did you mean 'toUpperCase'?
}
function assert(condition: any, msg?: string): asserts condition {
  if (!condition) {
    throw new AssertionError(msg);
  }
}

assetion signature의 다른 방식은 조건을 검사하기 위해 사용되지 않고 타입스크립트에게 특정 변수 혹은 속성이 다른 타입을 갖는다고 전달하기도 한다.

function assertIsString(val: any): asserts val is string {
  if (typeof val !== "string") {
    throw new AssertionError("Not a string!");
  }
}

asserts val is string은 assertIsString가 불려진 이후에 모든 값은 string이라는 것을 보장합니다.

function yell(str: any) {
  assertIsString(str);
  // Now TypeScript knows that 'str' is a 'string'.
  return str.toUppercase();
  //         ~~~~~~~~~~~
  // error: Property 'toUppercase' does not exist on type 'string'.
  //        Did you mean 'toUpperCase'?
}

aasetion signatures는 type predicate signatures를 사용하는 것과 매우 유사합니다.

function isString(val: any): val is string {
  return typeof val === "string";
}
function yell(str: any) {
  if (isString(str)) {
    return str.toUppercase();
  }
  throw "Oops!";
}

그리고 type predicate signatures처럼 assetion signatures은 표현력이 매우 뛰어납니다. 이를 통해 꽤 복잡한 아이디어들도 표현이 가능합니다.

function assertIsDefined<T>(val: T): asserts val is NonNullable<T> {
  if (val === undefined || val === null) {
    throw new AssertionError(
      `Expected 'val' to be defined, but received ${val}`
    );
  }
}

Discriminated unions

지금까지는 단일 타입(string, boolean, number)에 대해 타입을 좁히는 것을 살펴보았지만 자바스크립트에서는 보통 더 복잡한 구조를 다루곤 합니다.

예시로 원과 사각형에 대해 모형을 인코딩한다고 생각해봅시다. 원형은 반지름을 갖고 정사각형은 변의 길이를 갖는다. 이때, 어떤 도형을 다루는 지 구별하기 위해 kind라는 필드를 사용할 것입니다.

interface Shape {
  kind: "circle" | "square";
  radius?: number;
  sideLength?: number;
}

"circle" 과 "square"라는 문자열 리터럴의 유니온으로 사용하고 있으며 원 혹은 사각형을 다루고 있다는 사실을 인지하고 있습니다. string 대신에 "circle" | "square" 를 사용함으로써 오타를 방지할 수 도 있습니다.

function handleShape(shape: Shape) {
  // oops!
  if (shape.kind === "rect") {
//This comparison appears to be unintentional because 
// the types '"circle" | "square"' and '"rect"' have no overlap.
    // ...
  }
}

원 혹은 사각형을 다루는 getArea 작성해봅시다.

function getArea(shape: Shape) {
  return Math.PI * shape.radius ** 2;
//'shape.radius' is possibly 'undefined'.
}

stricctNullChecks가 에러를 발생시켰습니다. radius가 정의되어있지 않았기 때문에 적절한 에러죠. 만약 kind속성에 적절한 검사를 넣으면 어떻게 될까요?

function getArea(shape: Shape) {
  if (shape.kind === "circle") {
    return Math.PI * shape.radius ** 2;
//'shape.radius' is possibly 'undefined'.
  }
}

타입스크립트는 아직도 어떻게 해야할 지를 모르고 있네요. 타입 검사기보다 해당 값에 대해 우리가 더 많이 알고 있으니 non-null assetion을 통해 radius가 명확히 존재한다고 전해줍시다.

function getArea(shape: Shape) {
  if (shape.kind === "circle") {
    return Math.PI * shape.radius! ** 2;
  }
}

하지만 딱히 이상적이진 않네요. 타입 검사기에게 확신시키기 위해 사용된 연산자는 코드가 변경되면 오류를 발생시킬 수 있습니다. stringNullChecks가 활성화 되어있지 않을 경우, 필드에 접근할 때 해당 필드의 존재 여부를 무시하고 잘못 접근할 수 있습니다.

여기서 문제점은 타입 검사기가 반지름 혹은 변의 길이를 Shape이 갖고 있는 지를 모른다는 것입니다. 타입 검사기에 우리가 알고 있는 정보들을 전달해주어야 합니다.

interface Circle {
  kind: "circle";
  radius: number;
}
 
interface Square {
  kind: "square";
  sideLength: number;
}
 
type Shape = Circle | Square;

Shape을 kind 속성에 따라서 다른 두가지 타입으로 분류하였고radius와 sideLength는 각자의 필수 속성으로 선언하였습니다.

function getArea(shape: Shape) {
  return Math.PI * shape.radius ** 2;
//Property 'radius' does not exist on type 'Shape'.
  //Property 'radius' does not exist on type 'Square'.
}

첫번째 선언과 같이 여전히 에러가 발생합니다. radius가 optional일 경우, 타입스크립트는 해당 속성이 현재 존재하는지 모르기 때문에 에러가 발생합니다. Shape이 유니온 타입으로 정의되었기에, 타입스크립트는 shape이 Square일 수 있고 Square는 radius속성이 정의되어있지 않다고 알려주고 있습니다.

function getArea(shape: Shape) {
  if (shape.kind === "circle") {
    return Math.PI * shape.radius ** 2;
}

에러가 제거되었습니다. 유니온의 모든 타입은 리터럴 타입을 가진 공통 속성을 포함할 때, 타입스크립트는 공통된 유니온으로 구분하고 유니온의 멤버로 좁혀나갈 수 있습니다.

이 경우에서는 kind가 공통 속성 역할을 하였고 kind가 "circle"인 지 확인해주면 Shape의 나머지 타입이 제거되고 결국 shape는 Circle 타입으로 좁혀집니다.

이와 같은 방식은 switch 문에서도 잘 동작합니다. 이제 !와 같은 non-null assertion을 사용하지 않아도 getArea함수를 사용할 수 있습니다.

function getArea(shape: Shape) {
  switch (shape.kind) {
    case "circle":
      return Math.PI * shape.radius ** 2;
                        
//(parameter) shape: Circle
    case "square":
      return shape.sideLength ** 2;
              
//(parameter) shape: Square
  }
}

여기서 중요한 점은 Shape을 인코딩한다는 것입니다. 타입스크립트와 올바른 정보를 소통한다는 것 - Circle 과 Square는 kind 필드를 갖는 별개의 타입이라는 정보 - 은 중요합니다. 이렇게 하면 이전 자바스크립트 코드와 아무 차이없이 안전한 타입과 함께 작성될 수 있습니다. 이후 타입 시스템은 switch문에서 분기를 통해 타입을 추론할 수 있습니다.

The `never` type

타입을 좁힐 때, 유니온 타입의 선택지를 좁혀서 모든 가능성을 제거하고 아무 것도 남지 않게 될 수 있습니다. 이럴 경우, never타입을 통해 존재하지 않아야 하는 상태를 표시할 수 있습니다.

Exhaustiveness checking

never타입은 모든 타입에 할당이 가능합니다. 하지만 어떠한 타입도 never에 할당할 수 없습니다.(never를 제외하고) 이것은 narrowing에서 never타입이 나타나지 않음을 기반으로 완전한 검사를 수행할 수 있다는 의미입니다.

예를 들어, getArea함수에서 모든 가능한 경우를 처리한 후, never를 처리하는 default를 추가하면 모든 경우가 처리되는 것을 확인할 수 있어 오류가 발생하지 않습니다.

type Shape = Circle | Square;
 
function getArea(shape: Shape) {
  switch (shape.kind) {
    case "circle":
      return Math.PI * shape.radius ** 2;
    case "square":
      return shape.sideLength ** 2;
    default:
      const _exhaustiveCheck: never = shape;
      return _exhaustiveCheck;
  }
}

그리고 Shape 유니온에 새로운 멤버가 추가될 경우에는 에러가 발생할 것입니다.

interface Triangle {
  kind: "triangle";
  sideLength: number;
}
 
type Shape = Circle | Square | Triangle;
 
function getArea(shape: Shape) {
  switch (shape.kind) {
    case "circle":
      return Math.PI * shape.radius ** 2;
    case "square":
      return shape.sideLength ** 2;
    default:
      const _exhaustiveCheck: never = shape;
//Type 'Triangle' is not assignable to type 'never'.
      return _exhaustiveCheck;
  }
}

참고자료
해당 내용은 타입스크립트 공식문서를 읽고 요약/해석한 내용입니다.
타입스크립트 공식문서 : Typescript Narrowing

HoonDong_K

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Control flow analysis

Using type predicates

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Discriminated unions

The `never` type

Exhaustiveness checking

[Typescript] Everyday Types

[Typescript] More on Functions

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The `never` type