Covariance and contravariance

지난번에 변성에 대한 질문을 받은적이 있습니다.
대충은 알고있지만 설명하기 어려웠던 부분에 대해 다시한번 정리하는 시간을 갖고자 정리한것을 포스팅해봅니다.

해당 공변성, 반공변성, 무공변성에 대해서는 SOLID 포스팅한것에서 리스코프 치환원칙과 관련이 있으니 참고하셔서 읽어보시길 권장드립니다.

변성

변성이란 제너릭 프로그래밍을 하면서 상속에 관련되어 생기는 이슈가 생길때 접하곤합니다.
변성에 대해서 간단한 예시를 통해서 설명을 하자면 아래와 같이 쉽게 설명이 가능합니다.

Integer는 Number를 상속받아 만들어진 객체입니다.
그래서 Interger는 Number의 하위 타입이라고 할 수 있어 아래와 같은 코딩이 가능합니다.

public void test() {
    List<Number> list;
    list.add(Integer.valueOf(1));
}

하지만 List<Integer>는 List<Number>의 하위타입이 될 수 없습니다.
이러한 상황에서 Java나 Kotlin에서는 type parameter에 타입 경계를 명시하여 Sub-Type, Super-Type을 가능하게 해줍니다.
그걸 변성이라고 합니다.

경계	bound	kotlin	java
상위 경계	Upper bound	Type<out T>	Type<? extends T>
하위 경계	Lower bound	Type<in T>	Type<? super T>

변성에 대한 의미는 아래와 같이 간결하게 설명이 가능합니다.

	의미
공변성(covariant)	T’가 T의 서브타입이면, C<T’>는 C<T>의 서브타입이다.
반공변성(contravariant)	T’가 T의 서브타입이면, C<T>는 C<T’>의 서브타입이다.
무공변성(invariant)	C와 C<T’>는 아무 관계가 없다.

위에서 설명한것과 같이 타입경계를 지정하여 적용이된 Kotlin과 Java에 대한 설명은 아래와 같이 해석이 가능합니다.

	Kotlin
공변성(covariant)	T’가 T의 서브타입이면, C<T’>는 C<out T>의 서브타입이다.
반공변성(contravariant)	T’가 T의 서브타입이면, C<T>는 C<in T’>의 서브타입이다.
무공변성(invariant)	C와 C<T’>는 아무 관계가 없다.

공변성 (Covariant)

공변성은 타입생성자에게 리스코프 치환 법칙을 허용하여 유연한 설계를 가능하게 해줍니다.

interface Cage<T> {
    fun get(): T
}

open class Animal

open class Hamster(var name: String) : Animal()

class GoldenHamster(name: String) : Hamster(name)

fun tamingHamster(cage: Cage<out Hamster>) {
    println("길들이기 : ${cage.get().name}")
}

fun main() {

    val animal = object : Cage<Animal> {
        override fun get(): Animal {
            return Animal()
        }
    }
    val hamster = object : Cage<Hamster> {
        override fun get(): Hamster {
            return Hamster("Hamster")
        }
    }
    val goldenHamster = object : Cage<GoldenHamster> {
        override fun get(): GoldenHamster {
            return GoldenHamster("Leo")
        }
    }

    tamingHamster(animal) // compile Error
    tamingHamster(hamster)
    tamingHamster(goldenHamster)
}

tamingHamster 함수는 Hamster의 서브타입만을 받기때문에 animal 변수는 들어갈 수 없습니다.

반공변성 (Contravariant)

공변성의 반대 개념으로 자기 자신과 부모 객체만을 허용합니다.

interface Cage<T> {
    fun get(): T
}

open class Animal

open class Hamster(var name: String) : Animal()

class GoldenHamster(name: String) : Hamster(name)

fun ancestorOfHamster(cage: Cage<in Hamster>) {
    println("ancestor = ${cage.get()::javaClass.name}")
}

fun main() {

    val animal = object : Cage<Animal> {
        override fun get(): Animal {
            return Animal()
        }
    }
    val hamster = object : Cage<Hamster> {
        override fun get(): Hamster {
            return Hamster("Hamster")
        }
    }
    val goldenHamster = object : Cage<GoldenHamster> {
        override fun get(): GoldenHamster {
            return GoldenHamster("Leo")
        }
    }

    ancestorOfHamster(animal) 
    ancestorOfHamster(hamster)
    ancestorOfHamster(goldenHamster) // compile Error
}

ancestorOfHamster에서 햄스터의 조상을 찾는 함수를 구현하여 햄스터를 포함한 그 조상들만 허용하도록 제한하였습니다.
하위타입인 Cage<GoldenHamster>는 제한에 걸려있어 compile error가 나는것을 확인 할 수 있습니다.

무공변성 (invariant)

Java, Kotlin의 Generic은 기본적으로 무공변성으로 아무런 설정이 없는 기본 Generic을 말합니다.

interface Cage<T> {
    fun get(): T
}

open class Animal

open class Hamster(var name: String) : Animal()

class GoldenHamster(name: String) : Hamster(name)

fun matingGoldenHamster(cage: Cage<GoldenHamster>) {
    val hamster = GoldenHamster("stew")
    println("교배 : ${hamster.name} & ${cage.get().name}")
}

fun main() {

    val animal = object : Cage<Animal> {
        override fun get(): Animal {
            return Animal()
        }
    }
    val hamster = object : Cage<Hamster> {
        override fun get(): Hamster {
            return Hamster("Hamster")
        }
    }
    val goldenHamster = object : Cage<GoldenHamster> {
        override fun get(): GoldenHamster {
            return GoldenHamster("Leo")
        }
    }

    matingGoldenHamster(animal) // compile Error
    matingGoldenHamster(hamster) // compile Error
    matingGoldenHamster(goldenHamster)
}

위 코드의 Cage<Animal>, Cage<Hamster>, Cage<GoldenHamster>는 서로 각각 연관이 없는 객체로서 무공변성의 적절한 예입니다.

지점에 따른 변성

변성에 따른 타입을 나누는 것에 대해서 지점에 따른 변성으로 선언 지점 변성과 사용 지점 변성으로 나뉠 수 있습니다.

선언 지점 변성

클래스를 선언하면서 클래스 자체에 변성을 지정하는 방식(클래스에 in/out을 지정하는 방식)을 선언 지점 변성(declaration-site variance)이라고 합니다.
선언 하면서 지정하면, 클래스의 공변성을 전체적으로 지정하는게 되기 때문에 클래스를 사용하는 장소에서는 따로 타입을 지정해줄 필요가 없어 편리하게 됩니다.

사용 지점 변성

사용 지점 변성(use-site variance)은 메소드 파라미터에서, 또는 제네릭 클래스를 생성할 때 등 구체적인 사용 위치에서 변성을 지정하는 방식입니다.
Java에서 사용하는 한정 와일드카드(bounded wildcard)가 바로 이 방식입니다.
이는 타입 파라미터가 있는 타입을 사용할 때마다 해당 타입 파라미터를 하위 타입이나 상위 타입 중 어떤 타입으로 대치할 수 있는지를 명시해야 합니다.