제네릭(Generics) - 공변(Covariant), 불공변(Invariant), 반공변(Contravariant)

1. 공변, 불공변, 반공변의 개념 🌂

  변성(Variance)이란 타입의 계층 관계에서 서로 다른 타입 간에 어떠한 관계가 있는지를 나타내는 것이다.

  변성의 3가지 종류인 공변(Covariant), 불공변(Invariant), 반공변(Contravariant)은 다음과 같은 특성을 가진다.

공변	S가 T의 하위 타입이면, S[]는 T[]의 하위 타입이다.
불공변	List<S>와 List<T>는 관계가 없다.
반공변	S가 T의 하위 타입이면, T[]는 S[]의 하위 타입이다.

 

2. 제네릭은 공변성이 없다. ☔

  자바에서 배열은 공변이고, 제네릭은 불공변이다.

  즉, 객체 타입의 관계에서 A가 B의 하위 타입일 때, 배열 A[]는 B[]의 하위 타입이지만 List<A>sms List<B>의 하위 타입이 아니다.

public static void main(String[] args) {
    // 배열은 공변
    Object[] covariance = new Integer[10];

    // 제네릭은 불공변
    List<Object> invariance = new List<Integer>;
}

 

3. 불공변의 문제점 🧺

  배열과 리스트의 값을 print 메서드를 이용해서 출력한다고 해보자. 배열의 경우 아래와 같이 다형성의 특징을 이용하여 print메서드를 만들 수 있다.

public static void print(Object[] arr) {
    for(Object i : arr) {
        System.out.println(i);
    }
}

public static void main(String[] args) {
    String[] strings = {"1", "2", "3"};
    print(strings);

    Integer[] integers = {1, 2, 3};
    print(integers);
}

  하지만, 제네릭의 경우 불공변이기 때문에 배열과 같은 형식으로 코드를 작성하면 컴파일 에러가 난다.

public static void print(List<Object> arr) {
    for(Object i : arr) {
        System.out.println(i);
    }
}

public static void main(String[] args) {
    List<String> strings = List.of("1", "2", "3");
    print(strings); // 컴파일 에러

    List<Integer> integers = List.of(1, 2, 3);
    print(integers); // 컴파일 에러
}

  그래서 다음과 같이 객체 지향의 특징을 전혀 이용하지 못한 상태로 코드를 작성해야 한다.

public static void printString(List<String> arr) {
    for(Object i : arr) {
        System.out.println(i);
    }
}

public static void printInteger(List<Integer> arr) {
    for(Object i : arr) {
        System.out.println(i);
    }
}

public static void main(String[] args) {
    List<String> strings = List.of("1", "2", "3");
    printString(strings);

    List<Integer> integers = List.of(1, 2, 3);
    printInteger(integers);
}

 

4. 한정적 와일드카드 🚿

  위에서 살펴본 불공변의 문제를 해결하기 위해서 제네릭은 <? extends T>, <? super T>라는 한정적 와일드카드를 제공한다.

상한 경계 와일드 카드	<? extends T>	공변성 적용
하한 경계 와일드 카드	<? super T>	반공변성 적용

📘 1. 공변 - 상한 경계 와일드카드

public class MyArrayList<T> {

    Object[] element = new Object[3];
    int index = 0;

    // 내부 배열에 in을 추가
    public MyArrayList(Collection<? extends T> in) {
        for(T elem : in) {
            element[index++] = elem;
        }
    }

    @Override
    public String toString() {
        return Arrays.toString(element);
    }
}

----------

public static void main(String[] args) {
    MyArrayList<String> names = new MyArrayList<>(List.of("amenable", "choi", "perseverance"));
    System.out.println(names); // [amenable, choi, perseverance]
}

📘 2. 반공변 - 하한 경계 와일드카드

public class MyArrayList<T> {

    Object[] element = new Object[3];
    int index = 0;

    ...

    // out에 내부 배열을 추가
    public void clone(Collection<? super T> out) {
        for(Object elem : element) {
            out.add((T) elem);
        }
    }



}
public static void main(String[] args) {
    MyArrayList<String> names = new MyArrayList<>(List.of("amenable", "choi", "perseverance"));

    List<Object> temp = new ArrayList<>();
    names.clone(temp);

    System.out.println(temp); // [amenable, choi, perseverance]
}

 

5. PECS (Producer-Extends, Consumer-Super) 🛁

  상한 경계 와일드카드(<? extends T>)와 하한 경계 와일드카드(<? super T>)는 언제 어떤 걸 사용해야 할까?

  생산자(Producer)는 extends를 사용하고, 소비자(Consumer)는 super를 사용하면 된다. 이것이 PECS(Producer-Extends, Consumer-Super) 공식이다.

 

  위에서 상한 경계 와일드카드와 하한 경계 와일드카드의 예제에서 이미 PECS를 적용하였다. 코드를 다시 한번 확인해 보면서 PECS를 이해해 보도록 하자.

public class MyArrayList<T> {

    Object[] element = new Object[3];
    int index = 0;

    // 생산자(Producer) - extends
    // 내부 배열에 in을 추가
    public MyArrayList(Collection<? extends T> in) {
        for(T elem : in) {
            element[index++] = elem;
        }
    }

    // 소비자(Consumer) - super
    // out에 내부 배열을 추가
    public void clone(Collection<? super T> out) {
        for(Object elem : element) {
            out.add((T) elem);
        }
    }

    @Override
    public String toString() {
        return Arrays.toString(element);
    }
}

----------

public static void main(String[] args) {
    MyArrayList<String> names = new MyArrayList<>(List.of("amenable", "choi", "perseverance"));

    List<Object> temp = new ArrayList<>();
    names.clone(temp);
}

 

해당 글은
Hyo Kim 님의 '[Java] 자바 제네릭 불공변 / 공변 / 반공변 처음 들어봅니다.',
BeforB 님의 '[Java] 왜 배열은 Convariant(공변)이고 제네릭은 Invariant(불공변)일까?',
Inpa 님의 '자바 제네릭의 공변성 & 와일드 카드 완벽 이해'
를 참고하였습니다.