지네릭스 (Generics)

written by sohyeon, hyemin 💡

1. 지네릭이란?

지네릭은 다양한 타입의 객체들을 다루는 메서드나 컬렉션 클래스에 컴파일 시의 타입체크를 해주는 기능이다.
객체의 타입을 컴파일 시에 체크하기 때문에 잘못된 타입이 사용될 수 있는 문제를 컴파일 과정에서 제거할 수 있다.

지네릭의 장점

• 타입 안정성을 제공
• 타입체크와 형변환을 생략할 수 있으므로 코드가 간결해 짐

비지네릭 코드는 불필요하게 타입 변환을 하기 때문에 프로그램 성능에 악영향을 미친다.

ex) 예제

List list = new ArrayList();

list.add("hello");

String str = (String) list.get(0); // 타입 변환이 필요



List<String> list2 = new ArrayList<>();

list2.add("hello");

String str2 = list.get(0); // 불필요

2. 제네릭 클래스 선언

ex) Box 클래스

/* Box<T>클래스 선언 */

// 지네릭 타입 T를 선언
class Box<T> { // class Box {
  // Object item;
  T item;

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

  T getItem() { // Object getItem() {
    return item;
  }
}

/* Box<T>클래스 사용 */ 

Box<String> b = new Box<String>(); // T 대신 실제 타입 지정

b.setItem(new Object()); // ERROR: String타입 이외의 타입은 지정불가
b.setItem("ABC"); // OK: String타입만 가능

// String item = (String)b.getItem(); 
String item = b.getItem(); // 형변환 필요없음

/* 호환성 */

Box b2 = new Box(); // OK: T는 Object로 간주된다.
b2.setItem("ABC"); // WARN: unchecked or unsafe operation.
b2.setItem(new Object()); // WARN: unchecked or unsafe operation.

• T: 타입 변수(type variable)
  T가 아닌 다른 것도 사용가능하다. (ex. ArrayList, Map<K,V>)
  상황에 맞게 의미 있는 문자를 선택해서 사용하는 것이 좋다. (T:type, E:element, K:key, V:value, ...)
  기호만 다를 뿐 '임의의 참조형 타입'을 의미한다.

ex) Box클래스

• Box클래스: 어떤 타입이든 한가지 타입을 정해서 넣을 수 있다.

• Box클래스: String타입만 담을 수 있다.

class Box<String> { // 지네릭 타입을 String으로 지정
  String item;
  void setItem(String item) {
    this.item = item;
  }
  String getItem() {
    return item;
  }
}

지네릭스의 제한

• 모든 객체에 동일하게 동작해야 하는 static멤버에는 타입변수 T를 사용할 수 없다.

  • T는 인스턴스변수로 간주되기 때문이다. static에는 인스턴스변수를 참조할 수 없다.

• 지네릭 타입의 배열을 (선언은 가능하지만) 생성하는 것은 불가능하다.

  • new연산자, instacneof연산자는 컴파일 시점에 타입T가 뭔지 정확하게 알아야 하기 때문에 T를 피연산자로 사용할 수 없다.

  참고: 지네릭 배열을 꼭 생성해야 할 경우 방법
  new연산자 대신 'Reflection API'의 newInstance()와 같이 동적으로 객체를 생성하는 메서드로 배열 생성
  Object배열을 생성해서 복사한 다음에 T[]로 형변환

3. 지네릭 클래스의 객체 생성과 사용

ex) Box 지네릭 클래스 정의

class Box<T> {
  ArrayList<T> list = new ArrayList<T>();

  void add(T item) { list.add(item); }
  T get(int i) { return list.get(i); }
  ArrayList<T> getList() { return list; }
  int size() { return list.size(); }
  public String toString() { return list.toString(); }
}

ex) Box 객체

Box<Apple> appleBox = new Box<Apple>(); // OK
// ERROR: 참조변수와 생성자에 대입된 타입이 일치해야 한다.
Box<Apple> appleBox = new Box<Grape>(); 

// 타입 상속관계: Apple이 Fruit의 자손일 경우
// ERROR: 상속관계여도 일치된 타입이여야 한다.
Box<Fruit> appleBox = new Box<Apple>(); 

// 지네릭 클래스 상속관계: FruitBox<T>가 Box<T>의 자손인 경우
Box<Apple> appleBox = new FruitBox<Apple>(); // OK: 다형성

// 추정가능한 타입 생략 가능 (JDK1.7부터)
Box<Apple> appleBox = new Box<Apple>(); // OK
Box<Apple> appleBox = new Box<>(); // JDK1.7부터 OK

ex) Box.add() 사용

// 생성시 대입된 타입과 다른 타입의 객체 추가 불가
Box<Apple> appleBox = new Box<Apple>();
appleBox.add(new Apple()); // OK
appleBox.add(new Grape()); // ERROR

// 타입 상속관계: Apple이 Fruit의 자손
Box<Fruit> fruitBox = new Box<Fruit>();
fruitBox.add(new Fruit()); // OK
fruitBox.add(new Apple()); // ERROR: Fruit만 가능

4. 제한된 지네릭 클래스

타입 문자로 사용할 타입을 명시하면 한 종류의 타입만 지정할 수 있도록 제한할 수 있지만,
그래도 모든 종류의 타입을 지정할 수 있다는 것에는 변함이 없다.

지네릭 타입에 extends를 사용하면, 특정 타입의 자손들만 대입할 수 있게 제한할 수 있다.

ex) 예제

class FruitBox<T extends Fruit>{    // Fruit의 자손만 타입으로 지정 가능
    ArrayList<T> list = new ArrayList<T>();
}
FruitBox<Apple> appleBox = new FruitBox<Apple>();  //OK. Apple은 Fruit의 자손
FruitBox<Toy> toyBox = new FruitBox<Toy>();  //에러. Toy는 Fruit의 자손이 아님

클래스가 아니라 인터페이스를 구현해야 한다는 제약이 필요하다면, extends를 사용한다.
implements를 사용하지 않는 다는 점을 주의하자.

5. 와일드 카드

와일드 카드 도입 이유

static 메서드에는 타입 매개변수 T를 매개변수에 사용할 수 없다.

ex) static 메서드 예시

class Juicer {
  static Juice makeJuice(FruitBox<Fruit> box) {
    String tmp = "";
    for(Fruit f: box.getList()) tmp += f + " ";
    return new Juice(tmp);
  }
}

FruitBox<Fruit> fruitBox = new FruitBox<Fruit>();
FruitBox<Apple> appleBox = new FruitBox<Apple>();

Juicer.makeJuice(fruitBox); // OK
Juicer.makeJuice(appleBox); // ERROR: FruitBox<Apple> -> FruitBox<Fruit> 형변환 안됨

지네릭스를 사용하지 않거나, 특정 타입을 지정해서 써야 한다.
하지만, 특정타입을 지정하면 여러가지 타입을 받을 수가 없다.

이로인해 지네릭 타입이 다른 오버로딩을 하게 되는데,
지네릭 타입이 다른 것만으로는 오버로딩이 성립되지 않으며 메서드 중복 정의로 오류가 발생한다.

ex) 지네릭 타입이 다른 오버로딩 예시

// 컴파일 에러 발생
class Juicer {
  static Juice makeJuice(FruitBox<Fruit> box) {
    String tmp = "";
    for(Fruit f: box.getList()) tmp += f + " ";
    return new Juice(tmp);
  }

  static Juice makeJuice(FruitBox<Apple> box) {
    String tmp = "";
    for(Fruit f: box.getList()) tmp += f + " ";
    return new Juice(tmp);
  }
}

이런 문제를 해결하기 위해 고안된 것이 와일드 카드이다.

와일드 카드 사용

와일드카드 기호: ?

• 와일드카드는 어떠한 타입도 될 수 있다.
  ?는 Object와 다름없으므로 extends, super로 상한과 하한을 제한 할 수 있다.

• <? extends T>: 와일드카드의 상한 제한 (T와 그 자손들만 가능)
• <? super T>: 와일드카드의 하한 제한 (T와 그 조상들만 가능)
• <?>: 제한없음 (모든 타입 가능), <? extends Object>와 동일

• 지네릭 클래스와 달리 와일드 카드에는 &을 사용할 수 없다. (즉, <? extends T & E>와 같이 쓸수없음)

ex) 사용 예시

class Juicer {
  static Juice makeJuice(FruitBox<? extends Fruit> box) {
    String tmp = "";
    for(Fruit f: box.getList()) tmp += f + " ";
    return new Juice(tmp);
  }
}

• <? extends Object>: 모든타입이 가능

6. 지네릭 메서드

지네릭 메서드는 메서드의 선언부에 지네릭 타입이 선언된 메서드이다.

ex) 지네릭 메서드 예시

// Collections.sort()
static <T> void sort(List<T> list, Comparator<? super T> c)

• 지네릭 클래스의 타입매개변수 T와 지네릭 메서드의 타입매개변수 T는 서로 같은문자를 쓰더라도 별개의 것
• 지네릭 메서드는 지네릭 클래스가 아닌 클래스에도 정의 가능
• static 멤버에는 타입 매개변수를 사용할 수 없지만, static 메서드에는 가능
• 메서드에 선언된 타입은 지역변수와 같은 느낌
  (메서드 내에서만 사용되므로 static이건 아니건 상관없음)

7. 지네릭 타입의 형변환

- 지네릭타입 <-> 원시타입: OK

- 지네릭타입 <-> 지네릭타입: ERROR

- 와일드카드 지네릭타입 <-> 지네릭타입: OK

- 와일드카드 지네릭 타입 <-> 와일드카드 지네릭타입: OK