[Java 응용] Generic (제네릭)

Kyung Jae, Cheong·2024년 9월 4일

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Java Generic (제네릭)

0. 제네릭과 필요성

Generic이란?

제네릭(Generic)은 자바에서 클래스, 인터페이스, 메서드를 정의할 때 타입을 매개변수로 받을 수 있는 기능입니다.
즉, 제네릭을 사용하면 데이터 타입을 일반화하여 다양한 타입을 처리할 수 있는 코드를 작성할 수 있습니다. 이로 인해 코드의 재사용성이 높아지고, 타입 안전성을 보장받을 수 있습니다.

제네릭이 필요한 이유

타입 안전성(Type Safety): 제네릭을 사용하면 컴파일 시점에 타입을 확인하여 잘못된 타입의 객체가 사용되는 것을 방지할 수 있습니다. 이는 런타임에 발생할 수 있는 ClassCastException과 같은 오류를 줄여줍니다.
코드 재사용성(Code Reusability): 제네릭은 다양한 타입을 처리할 수 있는 일반적인 클래스를 정의할 수 있게 해줍니다. 이를 통해 코드 중복을 줄이고, 여러 타입을 지원하는 코드 작성을 가능하게 합니다.
런타임 에러 방지: 제네릭을 사용하면 타입 캐스팅으로 인한 런타임 오류를 줄일 수 있습니다. 컴파일 시점에서 타입 검사를 하므로 런타임에 발생할 수 있는 예기치 않은 오류를 예방할 수 있습니다.
의미 있는 코드: 제네릭을 사용하면 코드의 가독성과 의미를 명확하게 할 수 있습니다. 타입 정보가 명시되어 있어 코드의 의도가 더 분명해지고, 유지보수도 용이해집니다.

1. Generic Type (제네릭 타입)

1.1 제네릭 타입이란?

제네릭 타입(Generic Type)은 자바에서 데이터 타입을 일반화하여 여러 종류의 데이터 타입을 하나의 클래스, 인터페이스, 메서드에서 처리할 수 있게 해주는 기능입니다.
제네릭 타입을 사용하면 코드에서 사용할 데이터 타입을 미리 지정하지 않고, 외부에서 지정할 수 있어 코드의 유연성과 재사용성을 크게 높일 수 있습니다.

1.2 제네릭 타입 정의

제네릭 타입은 주로 클래스나 인터페이스를 정의할 때 사용됩니다.
제네릭 타입을 정의할 때는 클래스명이나 인터페이스명 뒤에 <T>와 같이 타입 매개변수를 지정합니다.
- 여기서 T는 타입 매개변수를 나타내며, 임의의 이름을 사용할 수 있지만 일반적으로 T, E, K, V, N 등의 관습적인 이름을 사용합니다.
  - 주로 쓰이는 것은 T(Type), N(Numbers), K(Key), V(Value), E(Element), 등 입니다.
- 타입 매개변수의 규칙이 따로 있는 것은 아니지만, 일반적으로 소문자는 가독성이 떨어져 대문자로 사용하는것이 관례입니다.
  - 개인적으로는 여러개의 타입이 필요할땐 T1, T2와 같이 사용하는 것을 추천합니다.

public class Box<T> {
    private T item;

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

    public T getItem() {
        return item;
    }
}

위의 예제에서 Box 클래스는 T라는 제네릭 타입을 사용합니다.
- 이로 인해 Box 클래스는 T 타입의 객체를 저장하고 반환할 수 있게 되며, T는 사용자가 클래스 인스턴스를 생성할 때 구체적인 타입으로 대체됩니다.
제네릭 타입은 객체 생성을 통해 타입을 지정해야하므로 static 키워드를 통한 정의는 할 수 없습니다.

1.3 제네릭 타입의 사용

제네릭 타입은 객체를 생성할 때 구체적인 타입으로 대체됩니다.
- 예를 들어, Box<String>으로 객체를 생성하면 T는 String으로 대체되고, Box<Integer>로 생성하면 T는 Integer로 대체됩니다.
여기서 중요한 점은 타입 인수(Arguments)로는 기본형(int, double, ...)은 사용할 수 없다는 점입니다. 대신 Wrapper Class(Integer, Double, ...)를 사용하시면 됩니다.

Box<String> stringBox = new Box<String>(); // 오른쪽 타입 생략 가능 (타입추론)
stringBox.setItem("Hello");
String item = stringBox.getItem();  // 타입 캐스팅 불필요

Box<Integer> intBox = new Box<>(); // 오른쪽 타입 생략 가능 (타입추론)
intBox.setItem(123);
Integer number = intBox.getItem();  // 타입 캐스팅 불필요

위 예시에서 stringBox는 String 타입의 데이터를, intBox는 Integer 타입의 데이터를 안전하게 저장하고 반환할 수 있습니다.
- 이때 타입 캐스팅이 필요 없으므로 코드가 간결해지고 오류 발생 가능성이 줄어듭니다.
참고로 new Box<>()처럼 문장 안에서 타입을 추정 할 수 있는 경우 생략할 수 있고, 이를 타입 추론이라 부릅니다. (왼쪽의 변수 선언 부분에선 생략하면 안됩니다.)

1.4 타입 매개변수 제한

제네릭 타입을 정의할 때, 특정 타입이나 그 하위 타입만 허용하도록 제한할 수 있습니다.
이를 타입 매개변수 제한(Type Parameter Bound)이라고 하며, <T extends SomeClass>와 같은 형태로 사용됩니다. (SomeClass는 임의의 클래스)
이를 통해 제네릭 타입이 기대하는 기능이나 인터페이스를 가진 타입만을 허용할 수 있습니다.

extends를 이용한 상한 제한

<T extends SomeClass>는 타입 매개변수 T가 SomeClass의 하위 타입이거나, SomeClass 자체여야 함을 의미합니다.

이를 통해 T 타입이 특정 클래스의 메서드나 필드를 사용할 수 있다는 보장이 생기며, 더 안전한 코드를 작성할 수 있습니다.

public class NumberBox<T extends Number> {
    private T number;

    public NumberBox(T number) {
        this.number = number;
    }

    public double doubleValue() {
        return number.doubleValue();
    }
}

위의 NumberBox 클래스에서 T는 Number 클래스 또는 그 하위 클래스(Integer, Double, Float, 등)여야 합니다.
- 이로 인해 T 타입의 객체는 항상 Number 클래스의 메서드를 사용할 수 있게 됩니다.
참고로 & 연산자를 사용하여 여러 클래스를 조합하여 타입 매개변수에 여러 제한을 동시에 걸 수도 있습니다. (예를 들어, T가 특정 클래스를 상속받고, 동시에 여러 인터페이스를 구현하도록 제한할 수 있습니다.)

public class MultiBoundBox<T extends Number & Comparable<T>> {
    private T number;

    public MultiBoundBox(T number) {
        this.number = number;
    }

    public boolean isGreaterThan(T other) {
        return number.compareTo(other) > 0;
    }
}

2. Generic Method (제네릭 메서드)

2.1 제네릭 메서드란?

제네릭 메서드(Generic Method)는 메서드의 선언부에 타입 매개변수를 사용하는 메서드를 말합니다.
- 제네릭 메서드를 사용하면 메서드가 다양한 타입의 매개변수를 처리할 수 있어, 더 유연하고 재사용 가능한 코드를 작성할 수 있습니다.
제네릭 메서드는 메서드의 리턴 타입 앞에 타입 매개변수를 선언하여 정의합니다. 이로 인해 메서드 내부에서 해당 타입 매개변수를 사용할 수 있습니다.

public <T> void printArray(T[] array) {
    for (T element : array) {
        System.out.println(element);
    }
}

위의 printArray 메서드는 타입 매개변수 T를 사용하여 어떤 타입의 배열이든 받아서 그 배열의 모든 요소를 출력할 수 있습니다.
- T는 메서드를 호출할 때 결정되며, 여러 타입에 대해 동일한 메서드를 재사용할 수 있게 합니다.

2.2 제네릭 메서드의 특징

타입 매개변수는 메서드 범위에서만 유효: 제네릭 메서드에서 선언한 타입 매개변수는 메서드 내부에서만 유효합니다.
- 이는 클래스의 제네릭 타입과는 독립적으로 작동할 수 있음을 의미합니다.
리턴 타입으로 제네릭 사용 가능: 제네릭 메서드는 매개변수뿐만 아니라 리턴 타입에도 제네릭을 사용할 수 있습니다.
- 이를 통해 리턴되는 객체의 타입을 유연하게 지정할 수 있습니다.

public static <T> T getFirstElement(T[] array) {
    if (array == null || array.length == 0) {
        return null;
    }
    return array[0];
}

위의 getFirstElement 메서드는 배열의 첫 번째 요소를 반환하는 제네릭 메서드입니다.
메서드를 호출할 때 배열의 타입에 맞는 객체가 리턴됩니다.

2.3 제네릭 메서드의 사용 예시

제네릭 메서드는 다양한 상황에서 사용될 수 있으며, 특히 다음과 같은 경우에 유용합니다:
- 데이터 타입에 독립적인 로직 구현: 여러 데이터 타입에 대해 동일한 로직을 적용해야 할 때 제네릭 메서드를 사용하면 코드 중복을 줄일 수 있습니다.
- 타입 안전한 콜렉션 처리: 콜렉션의 요소를 처리하는 메서드를 작성할 때 제네릭을 사용하면, 요소의 타입이 일관되게 처리됨을 보장할 수 있습니다.

public static <T extends Comparable<T>> T findMax(T a, T b) {
    return a.compareTo(b) > 0 ? a : b;
}

위의 findMax 메서드는 두 개의 Comparable 타입 객체를 받아, 더 큰 값을 반환하는 제네릭 메서드입니다.
이 메서드는 Comparable 인터페이스를 구현한 모든 객체에 대해 사용할 수 있습니다.

2.4 제네릭 메서드와 static

제네릭 메서드는 클래스의 인스턴스 메서드뿐만 아니라 static 메서드에서도 사용할 수 있습니다.
- 이는 클래스의 타입 매개변수와 무관하게 메서드 자체가 독립적으로 타입을 다룰 수 있음을 의미합니다.

public class Utility {
    public static <T> void printElement(T element) {
        System.out.println(element);
    }
}

위의 printElement 메서드는 Utility 클래스의 static 메서드로, 어떤 타입의 객체도 받아서 출력할 수 있습니다.
- 이처럼 제네릭 메서드는 특정 인스턴스에 의존하지 않고도 다양한 타입을 처리할 수 있는 유용한 도구입니다.

3. Wildcard(와일드카드)

3.1 와일드카드란?

와일드카드(Wildcard)는 제네릭 타입에서 불특정 타입을 표현하기 위해 사용되는 특수 문법입니다.
- 제네릭에서 와일드카드는 ? 기호로 표시되며, 이는 "어떤 타입이든 가능하다"는 의미를 가집니다.
와일드카드를 사용하면 다양한 타입의 객체를 처리할 수 있는 더욱 유연한 메서드나 클래스를 작성할 수 있습니다.
쉽게 말해서 기존에 정의된 제네릭 타입을 일반 메서드의 인수로 사용할 수 있도록 해주는 기능이라고 보시면 됩니다.

3.2 와일드카드의 종류

와일드카드는 크게 세 가지 유형으로 나눌 수 있습니다:
- Unbounded Wildcard (제한 없는 와일드카드)
- Upper Bounded Wildcard (상한 경계 와일드카드)
- Lower Bounded Wildcard (하한 경계 와일드카드)

Unbounded Wildcard (제한 없는 와일드카드)

<?>는 어떤 타입이라도 받을 수 있는 제네릭 타입을 의미합니다.
- 제네릭 타입에 관계없이 메서드나 클래스에서 어떤 타입의 객체든 처리할 수 있게 합니다.

public void printList(List<?> list) {
    for (Object element : list) {
        System.out.println(element);
    }
}

위의 printList 메서드는 어떤 타입의 리스트라도 받아서 그 요소들을 출력할 수 있습니다.
여기서 리스트의 타입이 무엇이든 상관없기 때문에, 메서드는 List<String>, List<Integer> 등 다양한 리스트 타입을 처리할 수 있습니다.

Upper Bounded Wildcard (상한 경계 와일드카드)

<? extends T>는 와일드카드가 T 타입이나 T의 하위 타입을 나타낼 수 있음을 의미합니다.
- 이는 제네릭 타입이 상속 구조에서 상위 클래스와 그 하위 클래스들을 처리할 수 있게 합니다.

public void processNumbers(List<? extends Number> list) {
    for (Number number : list) {
        System.out.println(number.doubleValue());
    }
}

위의 processNumbers 메서드는 Number 타입이나 그 하위 타입(Integer, Double 등)의 리스트를 받아서 처리할 수 있습니다.
이를 통해, Number 클래스에서 정의된 메서드(예: doubleValue)를 안전하게 사용할 수 있습니다.

Lower Bounded Wildcard (하한 경계 와일드카드)

<? super T>는 와일드카드가 T 타입이나 T의 상위 타입을 나타낼 수 있음을 의미합니다.

public void addNumbers(List<? super Integer> list) {
    list.add(1);
    list.add(2);
}

위의 addNumbers 메서드는 Integer 타입이나 그 상위 타입(Number, Object)의 리스트에 Integer 값을 추가할 수 있습니다.
이는 특정 타입 이상의 모든 객체를 받아들일 수 있게 해주며, 하위 타입의 객체를 안전하게 추가할 수 있게 합니다.

3.3 와일드카드의 사용 예시

와일드카드는 제네릭 타입의 유연성을 극대화하기 위해 자주 사용됩니다.
특히 다음과 같은 경우에 유용합니다:
- 타입 범위 제한: 특정 클래스나 인터페이스의 하위 클래스 또는 상위 클래스를 대상으로 작업할 때 와일드카드를 사용하면 코드가 더 유연해집니다.
- 타입에 관계없는 공통 작업: 여러 타입에 대해 공통으로 수행되는 작업을 제네릭 메서드로 처리할 때, 와일드카드를 사용하면 타입에 구애받지 않는 코드를 작성할 수 있습니다.

3.4 와일드카드의 한계와 제네릭 메서드

와일드카드는 제네릭 프로그래밍에서 유용하게 사용되지만, 그 한계도 존재하며, 때로는 제네릭 메서드로 대체하는 것이 더 나은 경우도 있습니다.

와일드카드의 한계

타입 정보의 모호성: 와일드카드를 사용하면, 해당 타입이 정확히 무엇인지 알 수 없기 때문에 타입에 대한 구체적인 작업이 어려워집니다.

예를 들어, List<?>는 어떤 타입의 요소가 들어있는지 알 수 없기 때문에 리스트에 요소를 추가하거나 특정 타입의 메서드를 호출할 수 없습니다.

public void processList(List<?> list) {
    // list.add(new Object());  // 컴파일 에러: 특정 타입을 추가할 수 없음
    Object item = list.get(0);  // 요소를 가져오는 것은 가능
}

위 코드에서, list의 타입이 불명확하기 때문에 요소를 추가하는 등의 작업이 제한됩니다. 이로 인해 코드의 기능이 제한적일 수 있습니다.

제한된 쓰기 작업: 상한 경계 와일드카드(<? extends T>)를 사용할 경우 리스트에 요소를 추가하는 작업이 제한됩니다.

이는 와일드카드가 지정된 타입의 하위 타입이기 때문에, 정확한 타입을 알 수 없다는 점에서 발생하는 한계입니다.

public void addNumber(List<? extends Number> list) {
    // list.add(new Integer(10));  // 컴파일 에러: 추가할 수 없음
}

위 코드에서는 리스트에 Number의 하위 타입을 추가할 수 없습니다. 이는 상한 경계 와일드카드를 사용하면 리스트의 요소가 특정 타입을 벗어날 수 있다는 위험 때문에 발생합니다.

제네릭 메서드로의 대체

와일드카드의 이러한 한계를 해결하기 위해, 때로는 와일드카드를 사용하는 대신 제네릭 메서드를 사용하는 것이 더 나은 선택이 될 수 있습니다.
제네릭 메서드는 타입 매개변수를 명시적으로 정의하여, 메서드 내에서 보다 명확한 타입 정보를 사용할 수 있게 합니다.

public <T> void processList(List<T> list) {
    list.add(list.get(0));  // 동일한 타입의 요소를 추가할 수 있음
}

위 코드에서 processList 메서드는 타입 매개변수 T를 사용하여 리스트의 타입을 명확하게 지정하고 있습니다.
이로 인해, 와일드카드를 사용할 때와 달리 리스트에 동일한 타입의 요소를 추가하는 작업이 가능해집니다.

4. Type Eraser (타입 이레이저)

4.1 타입 이레이저란?

타입 이레이저(Type Erasure)는 자바에서 제네릭이 도입되었을 때, 하위 호환성을 유지하기 위해 사용된 메커니즘입니다.
- 제네릭은 컴파일 시점에만 타입 안전성을 제공하고, 런타임 시점에서는 제네릭 타입 정보가 제거됩니다.
- 이 과정을 타입 이레이저라고 하며, 이로 인해 런타임 시점에는 제네릭 타입이 Object 타입 또는 지정된 상한 타입으로 대체됩니다.

4.2 타입 이레이저의 동작 방식

타입 매개변수 제거

컴파일 시점에 제네릭 타입은 실제 타입으로 대체되거나, 특정한 타입으로 제한된 경우 그 타입으로 대체됩니다.
- 예를 들어, 제네릭 클래스 Box<T>에서 T가 컴파일 시점에 Object나 지정된 상한 타입으로 대체됩니다.

public class Box<T> {
    private T item;

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

    public T getItem() {
        return item;
    }
}

위 코드에서 Box<String>으로 사용된 제네릭 클래스는 컴파일 후 다음과 같은 형태로 변환됩니다

public class Box {
    private Object item;

    public void setItem(Object item) {
        this.item = item;
    }

    public Object getItem() {
        return item;
    }
}

경계(bound)의 적용

제네릭 타입이 상한 경계(bound)를 가지고 있는 경우, 해당 경계 타입으로 변환됩니다.
- 예를 들어, T가 Number로 제한된 경우, 제네릭 타입은 Number로 대체됩니다.

public class NumberBox<T extends Number> {
    private T number;

    public void setNumber(T number) {
        this.number = number;
    }

    public T getNumber() {
        return number;
    }
}

위 코드에서 NumberBox<Integer>는 컴파일 후 다음과 같이 변환됩니다

public class NumberBox {
    private Number number;

    public void setNumber(Number number) {
        this.number = number;
    }

    public Number getNumber() {
        return number;
    }
}

다형성과 캐스팅

타입 이레이저로 인해 제네릭 타입 정보가 제거되므로, 런타임에는 타입 안전성이 컴파일 시점보다 낮아질 수 있습니다.
따라서, 제네릭 타입의 요소를 사용할 때는 명시적인 캐스팅이 필요할 수 있으며, 이는 런타임 시 ClassCastException이 발생할 가능성을 증가시킵니다.

Box<String> stringBox = new Box<>();
stringBox.setItem("Hello");

// 컴파일 후:
Box objectBox = stringBox;  // Box 타입으로 변환
String item = (String) objectBox.getItem();  // 명시적 캐스팅 필요

4.3 타입 이레이저의 장단점

장점

1. 하위 호환성
- 타입 이레이저 덕분에 제네릭이 도입되기 이전의 자바 코드와의 하위 호환성이 유지됩니다. 기존의 코드와 라이브러리들이 수정 없이 작동할 수 있습니다.
1. 단순화된 JVM
- 타입 정보가 제거되기 때문에, JVM은 제네릭을 특별히 처리할 필요가 없으며, 기존의 객체 모델을 그대로 사용할 수 있습니다.

한계와 단점

1. 타입 안전성 감소
- 컴파일 시점에는 타입이 명확하지만, 런타임 시에는 타입 정보가 제거되므로, 잘못된 타입 캐스팅으로 인한 오류가 발생할 수 있습니다.
1. 런타임 타입 확인 제한
- 제네릭 타입 정보가 제거되므로, 런타임에 특정 타입을 정확하게 확인하거나 반영하기 어렵습니다.
  - 예를 들어, List<String>과 List<Integer>는 컴파일 후 동일한 List로 간주됩니다.
- instanceof의 제약: 타입 이레이저로 인해 런타임 시 제네릭 타입 정보가 사라지기 때문에, 제네릭 타입에 대해 instanceof를 사용할 수 없습니다.
  - 제네릭 타입은 컴파일 후 일반 객체로 취급되므로, 특정 타입인지 확인하려면 명확한 타입 정보가 필요하지만, 이 정보가 제거되기 때문에 instanceof 연산자는 정확한 타입을 확인할 수 없습니다.
```
List<String> stringList = new ArrayList<>();
if (stringList instanceof List<String>) {  // 컴파일 에러 발생
    // Do something
}
```
1. 오버로딩 제한
- 제네릭 메서드의 타입 이레이저로 인해, 동일한 메서드 서명이 충돌하여 메서드 오버로딩이 제한될 수 있습니다.
- 이는 컴파일러가 제네릭 타입을 제거할 때, 서로 다른 제네릭 메서드들이 동일한 서명을 가지게 되어 발생합니다.

public void method(List<String> list) { }
public void method(List<Integer> list) { }  // 컴파일 에러 발생

1. 제네릭 타입으로 객체 생성 불가 (new 키워드의 제약)
- 타입 이레이저로 인해 제네릭 타입으로는 직접 객체를 생성할 수 없습니다.
- 제네릭 타입은 컴파일 시점에서 구체적인 타입 정보가 제거되기 때문에, new T()와 같은 구문은 사용할 수 없습니다.
- 이로 인해 제네릭 타입으로 배열을 생성하거나 객체를 생성하는 것이 불가능합니다.

public class Box<T> {
    private T item;

    public Box() {
        this.item = new T();  // 컴파일 에러 발생
    }
}

위 코드에서 new T()는 컴파일 에러를 발생시킵니다. 이는 T가 컴파일 시점에 구체적인 타입이 아니기 때문에, 어떤 생성자를 호출해야 하는지 알 수 없기 때문입니다.

마무리

Generic(제네릭)은 자바에서 타입 안전성을 높이고 코드의 재사용성을 극대화하는 강력한 도구입니다.
- 제네릭을 사용하면 컴파일 시점에서 타입 오류를 방지할 수 있고, 다양한 타입을 유연하게 처리할 수 있습니다.
와일드카드는 제네릭의 유연성을 더욱 확장시켜 다양한 타입을 포괄할 수 있게 해주지만, 타입 이레이저로 인해 런타임 시 타입 정보가 제거되어 instanceof나 new와 같은 구문에 제약이 발생합니다.
- 이러한 한계에도 불구하고 제네릭과 와일드카드를 적절히 활용하면, 보다 안전하고 효율적인 자바 코드를 작성할 수 있습니다.
제네릭의 개념과 한계를 이해하고 상황에 맞게 적용하는 것이 자바 프로그래밍의 핵심입니다.

Kyung Jae, Cheong

일 때문에 포스팅은 잠시 쉬어요 ㅠ 바쁘다 바빠 모두들 화이팅! // Machine Learning (AI) Engineer & BackEnd Engineer (Entry)