상속과 컴포지션

sseob·2022년 6월 3일
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Inheritance vs Composition

상속과 조합(구성)에 대해 알아보자.
이펙티브 자바 Item 18을 통해 학습.


상속의 단점

  • 상속은 코드를 재사용 하는데 있어서 좋은 수단이지만, 일반적인 메소드 호출과 달리 캡슐화를 위반할 수 있는 여지가 생긴다.
    • 번역된 이펙티브 자바를 보면 ‘캡슐화를 깨뜨린다’ 라고 되어있는데 상속을 한다고 해서 바로 깨지는것은 아니고 캡슐화를 위반할 수 있는 여지가 생긴다고 정리하는게 맞는것 같다.
  • 하위 클래스는 상위 클래스에 강하게 결합 되어있어 유연성이 떨어질 수 있다.
    • 상위 클래스는 릴리스마다 내부 구현이 달라질 수 있고 그로 인해 하위 클래스의 오동작을 유발할 수 있다. 상속의 구조가 복잡하면 오동작을 더욱 더 예측하기 힘들다.
    • 하위 클래스는 상위 클래스의 변화에 맞춰 수정 되어야 하는 일이 생긴다.

코드로 살펴보는 예시

public class InheritSet<E> extends HashSet<E> {

	private int addCount = 0;

	@Override
	public boolean add(E e) {
		addCount++;
		return super.add(e);
	}

	@Override
	public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
		addCount += c.size();
		return super.addAll(c);
	}

	public int getAddCount() {
		return addCount;
	}
}

HashSet을 상속받은 InhefitSet 클래스의 객체를 사용하면서 원소가 몇 개 더해졌는지 알기 위한 addCount field를 추가하고, add(), addAll() 메소드를 사용할 때 마다 개수를 증가 시키기 위해 메소드를 재정의 하였다.

테스트

@DisplayName("add All method를 통해 count를 4증가 시켰으니 4가 나오기를 기대한다...")
@Test
public void inheritSetTest() {

		InheritSet<String>stringInheritSet = new InheritSet<>();
		stringInheritSet.addAll(Arrays.asList("한방", "두방", "세방", "네방"));
		assertEquals(8, stringInheritSet.getAddCount());

   // test passed. actual 8.
}

이 테스트 코드를 실행하면 getAddCount() 메소드는 4를 반환할 것이라고 생각 하겠지만 8을 반환한다.


원인

HashSet 상속구조

HashSet은 위와 같은 상속 구조를 가지고 있다.

예제 코드에서 호출하는 addAll() 메소드는 AbstractCollection 클래스의 메소드인데 addAll() 메소드는 내부적으로 add() 메소드를 사용하는 방식으로 구현 되어있다.

addAll()

InheritSet 의 addAll() 메소드를 호출하면 addCount에 원소의 size인 4를 더하고 super.addAll()를 호출하는데, addAll() 메소드는 for문에서 재정의 한 InheritSet 의 add() 메소드를 호출하여 addCount는 4번 중복되어 더해져 8이라는 값을 갖게 되었다.

결국 InheritSet에서 재정의 한 addAll() 메소드는 상위 클래스의 내부 구현 방식을 모른 채 재정의 하였기 때문에 생각과는 다른 결과를 맞이하게 되었다.


상속의 문제점

  1. 테스트 했던 케이스는 하위 클래스에서 addAll 메소드를 재정의 하지 않으면 문제를 고칠 수 있지만, 다음 릴리즈에서 상위 클래스의 구현 방식이 달라지면 정확한 메소드 동작을 보장할 수 없다.
  2. addAll 메소드를 아예 다른 방법으로 재정의할 수 있지만, 상위 클래스의 메소드 동작을 다시 구현하는 것은 시간도 더 많이 들고, 오류를 내거나 성능을 저하시킬 수 있다.
  3. 다음 릴리즈에서 상위 클래스에 특정 원소를 모두 검증하는 과정을 거쳐 추가하는 새로운 메소드가 추가된다면 ??
    • 하위 클래스에서 동일한 검증하는 과정을 동일하게 구현할 수 있지만, 상위 클래스에 add, addAll이외에 또 다른 원소 추가 메소드가 생겨난다면…. 또 재정의를 해야한다.
  4. 다음 릴리즈에서 하위 클래스에 추가한 메소드와 시그니처가 동일하지만 반환 타입은 다른 상위 클래스 메소드가 추가 될 수 있다.
    • 이 경우 컴파일조차 되지 않는다..

상속의 문제를 피해가는 방법

상속과 관련하여 이 모든 문제를 피해가는 해결책이 있다.

기존 클래스를 확장 하는 대신에 새로운 클래스를 만들고 private필드로 기존 클래스의 인스턴스를 참조하게 하는 설계. Composition(조합, 구성)이라고 불리우는 설계 방식을 이용하면 된다.

새 클래스의 메소드들은 private 필드로 참조하는 기존 클래스의 대응하는 메소드를 호출해 그 결과를 반환하게 한다. 이 반식을 전달(forwarding) 이라고 하고 새 클래스의 메소드들을 전달 메소드(forwarding method)라고 부른다.

Composition, forwarding 방식의 이점은 이렇다.

  • 기존 클래스의 내부 구현 방식의 영향에서 벗어난다.
  • 기존 클래스에 새로운 메소드가 추가되더라도 전혀 영향받지 않는다.

Composition, forwarding 예시

// 1
public class InstrumentedSet<E> extends ForwardingSet<E> {
	
	private int addCount = 0;

	public InstrumentedSet(Set<E> set) {
		super(set);
	}

	@Override
	public boolean add(E e) {
		addCount++;
		return super.add(e);
	}

	@Override
	public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
		addCount += c.size();
		return super.addAll(c);
	}

	public int getAddCount() {
		return addCount;
	}
}

// 2
public class ForwardingSet<E> implements Set<E> {

	private final Set<E> set;
	
	public ForwardingSet(Set<E> set) {this.set = set;}
	@Override
	public int size() {return set.size();}
	@Override
	public boolean isEmpty() {return set.isEmpty();}
	@Override
	public boolean contains(Object o) {return set.contains(o);}
	@Override
	public Iterator<E> iterator() {return set.iterator();}
	@Override
	public Object[] toArray() {return set.toArray();}
	@Override
	public <T> T[] toArray(T[] a) {return set.toArray(a);}
	@Override
	public boolean add(E e) {return set.add(e);}
	@Override
	public boolean remove(Object o) {return set.remove(o);}
	@Override
	public boolean containsAll(Collection<?> c) {return set.containsAll(c);}
	@Override
	public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {return set.addAll(c);}
	@Override
	public boolean retainAll(Collection<?> c) {return set.retainAll(c);}
	@Override
	public boolean removeAll(Collection<?> c) {return set.removeAll(c);}
	@Override
	public void clear() {set.clear();}
	@Override
	public boolean equals(Object o) {return set.equals(o);}
	@Override
	public int hashCode() {return set.hashCode();}
}

테스트

@Test
public void compositionSetTest() {

	InstrumentedSet<String>instrumentedSet = new InstrumentedSet<>(new HashSet<>());
	instrumentedSet.addAll(Arrays.asList("한방", "두방", "세방", "네방"));
	assertEquals(4, instrumentedSet.getAddCount());

	// test passed. actual 4
}

위 테스트는 처음에 원하던 결과인 4를 얻게된다.

새로 만든 InstrumentedSet 클래스는 ForwardingSet클래스를 확장하여 add와 addAll메소드는 ForwardingSet의 메소드를 이용하게 되는데, ForwardingSet은 Set 인터페이스를 구현한 구현 클래스 이다.

테스트 코드에서 ForwardingSet 클래스는 생성자로 주입받은 HashSet을 private final 필드로 참조하게 되는데 이것을 Composition이라고 할 수 있다.

ForwardingSet 클래스는 Set 인터페이스의 모든 메소드를 재정의 하고 있는데, 재정의 내용은 간단하다. 기존 Set 인터페이스 메소드의 결과를 그냥 반환할 뿐이다. 이 메소드들은 전달 메소드이다.

결국 새로 만든 InstrumentedSet 클래스는 addCount에 숫자를 증가 시키는 기능의 확장을 일궈내면서 상위 클래스에 기능변경에 영향을 받지 않으며, Forwarding 클래스의 전달 메소드를 통해 기존 클래스(HashSet)의 똑같은 기능을 그대로 사용할 수 있게 되었다.

InstrumentedSet 클래스는 HashSet의 모든 기능은 정의한 Set 인터페이스를 활용해 설계되어 견고하면서도 유연한 클래스가 되었다.

위 구조는 Set의 기능을 덧씌워 새로운 Set으로 만들었기 때문에 HashSet, TreeSet등 다양한 Set구현체를 사용할 수 있다.

하지만, 상속 방식은 HashSet과 같이 구체적인 구현체에 해당하는 클래스를 각각 따로 확장하여 구현해야 한다는 점에서도 이점을 가진다.

(만약 상속으로 구현한다면 TreeSet, HashSet 을 직접 재정의 하므로써 달라지는 구현 내용에 대해 고민해야함.)

InstrumentedSet 클래스를 통한 용어 설명

  • 다른 Set에 기능을 덧씌운다는 뜻에서 데코레이터 패턴 (Decorator pattern) 이라고 한다.
  • 다른 Set 인스턴스를 감싸고 있다는 뜻에서 InstrumentedSet 같은 클래스를 래퍼 클래스 (Wrapper) 라고 한다.
  • Composition과 Forwarding 조합은 넓은 의미로 위임 (delegation) 이라고 부른다.

상속대신 컴포지션과 전달의 조합으로 상속의 문제점을 타파하면서도 코드 재사용성, 기능 확장에 대한 이점은 그대로 가져갈 수 있다.


정리

상속은 반드시 하위 클래스가 상위 클래스의 진짜 하위 타입인 상황에서만 쓰여야 한다.

다르게 말하면 클래스 B가 클래스 A와 순수한 is-a 관계일 때만 클래스 A를 상속해야 한다.

클래스 A를 상속하는 클래스 B를 작성하려 한다면 “B가 정말 A인가 ?” 생각해보자.

“그렇다”고 확신할 수 없다면 B는 A를 상속(확장)해서는 안된다.

대답이 “아니다” 라면 A를 private 인스턴스로 두고, A와 다른 API를 제공해야 하는 상황이 대다수다.

즉, A는 B의 필수 구성요소가 아니라 구현 방법중에 하나일 뿐이다.

컴포지션 대신에 상속을 사용하기로 결정하기 전에 마지막으로 자문해야 할 질문이 있다.

“확장하려는 클래스의 API에 아무런 결함이 없는가 ?” 결함이 있다면 “이 결함이 하위 클래스 까지 전파돼도 괜찮은가 ?”

컴포지션으로는 이런 결함을 숨기는 새로운 API를 설계할 수 있지만, 상속은 상위 클래스의 API를 ‘그 결함 까지도’ 그대로 승계한다.

상속의 취약점을 피하려면 상속 대신 컴포지션과 전달을 사용하자. 특히 래퍼 클래스로 구현할 적당한 인터페이스(Set 같은)가 있다면 더욱 그렇다. 래퍼 클래스는 하위 클래스보다 견고하고 강력하다 !

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