Generic

개념

• 사전적 정의: "일반적인"

• 동일한 클래스 내부에 타입을 지정하는것이 아닌, 외부에서 사용자에 의해 타입이 지정되는 것

등장 배경

• 제네릭 등장전, 컬렉션의 요소들을 다루는 메소드들은 타입이 보장되지 않기 때문에 문제가 발생함

  	int sum(Collection c) {
  		int sum = 0;
  		Iterator i = c.iterator();
  		for (k = 0; k < c.size(); k++) {
  			sum += Integer.parseInt(i.next());
  		}
  		return sum;
  	}

  • 위 메소드는 String처럼 다른 타입을 갖는 컬렉션도 호출 가능

  • 다른 타입을 갖는 컬렉션은 컴파일 시점엔 문제가 없다가 런타임 시점에 매소드 호출 시 에러 발생

타입을 지정해 컴파일 시점에 안정성을 보장할 수 있는 방법으로 제네릭 등장

제네릭 미리 보기

• <>를 통해 리스트에 들어갈 수 있는 요소의 타입을 정해줌

  List<Integer> list1 = new ArrayList<>();
  List<String> list1 = new ArrayList<>();

• <>에 특정 타입이 아닌 E 라는 타입이 들어감

  

  첫번째 예시와 같이 타입별로 필요한 List를 구현하는 것이 아닌, E타입 이용 가능

이처럼 제네릭을 통해 타입결정에 대한 고민을 해결할수 있음

Generic 사용법

표기법

• <>

  • 꺾쇠 괄호 키워드 사용 (다이아몬드 연산자)

• 타입 매개변수 / 타입 변수

  • 꺾쇠 괄호 안에 식별자 기호를 지정함으로써 파라미터화 함

  • 제네릭을 이용한 클래스나 매소드 설계 시 사용

  • 타입 파라미터 생략

    • jdk 1.7 버전 이후부터, new 생성자 부분의 제네릭 타입을 생략 가능

    • FruitBox<Apple> intBox = new FruitBox<>();

• 구체화

  • <T> 부분에서 실행부에서 타입을 받아옴

  • 내부에서 T 타입으로 지정한 멤버들에게 전파하여 타입이 구체적으로 설정됨

타입 매개변수	의미
<T>	Type
<E>	Element
<K>	Key
<V>	Value
<N>	Number

클래스 및 인터페이스 선언

• 제네릭 선언 (클래스, 인터페이스)

  public interface List<E> {...}
  public class ArrayList<E> {...}

  외부에서 지정한 타입인 T는 {}블록 안에서 유효하다.

• 복수 타입 파라미터

  • 타입 지정이 여러개 필요할 경우 여러개 사용 가능

  public class HashMap<K,V> {...}
  public interface Map<K,V> {...}

• 중첩 파라미터

  ArrayList<LinkedList<String>> list = new ArrayList<LinkedList<String>>();

• 제네릭 클래스의 사용

  public static void main(String[] args) {
  	Map<String, Integer> map = new HashMap<String, Integer>();
  }

  이렇게 생성된 제네릭 클래스를 사용할때는 구체적인 타입을 명시해 생성하면 된다.

  즉, Map의 제네릭 타입 K는 String이 V는 Integer가 된다.

주의점

• 제네릭의 타입 파라미터로 명시할수 있는 것은 Reference Type

  • 사용자가 정의한 클래스 또한 제네릭타입으로 명시할수 있음

  • primitive type은 올수 없음

  class Person{
  	int height;
  	int weight;
  }
  
  public static void main(String[] args) {
  	List<Person>list=new ArrayList<>();
  }

Generic활용

제네릭 클래스를 활용해보자!

class ClassName<E> {
	
	private E element;	// 제네릭 타입 변수
	
	void set(E element) {	// 제네릭 파라미터 메소드
		this.element = element;
	}
	
	E get() {	// 제네릭 타입 반환 메소드
		return element;
	}
	
}
 
class Main {
	public static void main(String[] args) {
		
		ClassName<String> a = new ClassName<String>();
		ClassName<Integer> b = new ClassName<Integer>();
		
		a.set("10");
		b.set(10);
	
		System.out.println("a data : " + a.get());
		// 반환된 변수의 타입 출력 
		System.out.println("a E Type : " + a.get().getClass().getName());
		
		System.out.println();
		System.out.println("b data : " + b.get());
		// 반환된 변수의 타입 출력 
		System.out.println("b E Type : " + b.get().getClass().getName());
		
	}
}

결과를 살펴보면 각 클래스의 선언된 제네릭에 따라 타입이 결정된 것을 확인할수 있다.

실제 ArrayMap 또한 제네릭을 통해 구현하는 것을 확인할수 있다.

public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V>
    implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable {
    
    public V put(K key, V value) {
        return putVal(hash(key), key, value, false, true);
    }
    public V get(Object key) {
        Node<K,V> e;
        return (e = getNode(key)) == null ? null : e.value;
    }
    
}

배경 지식

• 변성

  • 타입의 상속 계층 관계에서 서로 다른 타입 간에 어떤 관계가 있는지를 나타태는 지표

  • 공변성(Covariance)과 반공변성(Contravariance)을 합친 개념

• 공변

  • S 가 T 의 하위 타입이면, S[] 는 T[] 의 하위 타입

  • List<S>는 List<T>의 하위 타입

• 반공변

  • S가 T의 하위 타입이면, T[] 는 S[] 의 하위 타입 (공변의 반대)

  • List<T>는 List<S>의 하위 타입 (공변의 반대)

• 무공변 / 불공변

  • S 와 T 는 서로 관계가 없음

  • List<S>와 List<T>는 서로 다른 타입

Java에서는 일반적으로 제네릭 타입에 대해서 공변성 / 반공변성을 지원하지 않는다. 즉, 자바의 제네릭은 무공변의 성질을 지닌다

Generic 특징

특징

• 컴파일 타임에 타입 검사를 통해 예외 방지

• 불필요한 캐스팅을 없애 성능 향상

  • 미리 타입을 지정 & 제한해 놓기 때문에 형 변환(Type Casting)의 번거로움을 줄일 수 있음

  • 타입 겁사에 들어가는 메모리 줄임

  • 가독성 향상

• 제네릭은 공변성과 상하관계가 없음

주의 사항

• 제네릭 타입의 객체는 생성 불가

  • new 연산자 뒤에 제네릭 타입 파라미터가 올수 없음

• static 멤버에 제네릭 타입 올수 없음

• 제네릭 배열 선언

  • 기본적으로 제네릭 클래스 자체를 배열로 만들 수는 없음

  • 하지만 제네릭 타입의 배열 선언은 허용

제네릭은 공변성과 상하관계가 없음

• 제네릭은 무공변으로, 전달받은 타입으로만 서로 캐스팅이 가능함

  • 자바의 캐스팅

    	Object[] Covariance = new Integer[10];
    	Integer[] Contravariance = (Integer[]) Covariance;

  • 제네릭의 캐스팅

    	ArrayList<Object> Covariance = new ArrayList<Integer>();
    	ArrayList<Integer> Contravariance = new ArrayList<Object>();
    	-> 에러

• 따라서 제네릭의 타입 파라미터(<>) 끼리 타입이 상속 관계에 놓여도 캐스팅 불가능

  • 원시 타입부분은(꺾쇠 괄호 부분을 제외) 공변성 적용

  • 꺾쇠 괄호 안의 실제 타입 매개변수에 대해서는 공변성이 적용이 되지 않음

  • 컬렉션 프레임워크 상속 관계

    	Collection<Integer> parent = new ArrayList<>();
    	ArrayList<Integer> child = new ArrayList<>();
    
    	parent = child; // 다형성 (업캐스팅)

  • 제네릭의 상속 관계

    	ArrayList<Object> parent = new ArrayList<>();
    	ArrayList<Integer> child = new ArrayList<>();
    
    	parent = child; // ! 업캐스팅 불가능
    	child = parent; // ! 다운캐스팅 불가능

공변성이 없는 특징때문에 매개변수로 제네릭을 사용할때 외부에서 대입되는 인자의 캐스팅 문제로 애로사항이 발생함. 하지만 캐스팅이 지원되지 않는다면 유연하게 타입을 결정하기 위한 제네릭의 장점이 사라지게 됨.

해당 문제를 해결하기 위한 기능이 와일드 카드

와일드 카드

컴퓨터 프로그래밍에서 ?와 같이 하나 이상의 문자들을 상징하는 특수 문자

와일드카드(?)

• 모든 타입을 대신 할 수 있는 타입

• 정해지지 않은 unknown type

• 타입에 제한이 없어 비제한 와일드카드 타입이라함

• 요소를 추가하는 연산은 허용하지 않음

  • unknown type으로 컴파일러가 구체적으로 어떤 타입인지 알 수 없기에 타입 안정성을 보장할 수 없음

한정적 와일드 카드

• 특정 타입을 기준으로 상한 범위와 하한 범위를 지정함으로써 호출 범위를 확장 또는 제한 가능

• 상한 경계 와일드 카드

  • <? extends MyParent>

    • MyParent와 unknown의 모든 MyParent 자식 클래스들 가능

  • 와일드카드 타입에 extends를 사용해서 와일드카드 타입의 최상위 타입을 정의함으로써 상한 경계를 설정

  • 상한 경계가 지정된 경우, 하위 타입을 특정할 수 없으므로 새로운 원소를 추가하는 것이 불가능

  • 공변

• 하한 경계 와일드 카드

  • <? super MyParent>

    • MyParent와 unknown의 MyParent 부모 타입들 가능

  • super를 사용해 와일드카드의 최하위 타입을 정의하여 하한 경계 설정

  • 해당 컬렉션에는 MyParent의 자식 타입이라면 원소를 안전하게 컬렉션에 추가 가능

  • 반공변

<K extends T>	// T와 T의 자손 타입만 가능 (K는 들어오는 타입으로 지정 됨)
<K super T>	// T와 T의 부모(조상) 타입만 가능 (K는 들어오는 타입으로 지정 됨)
 
<? extends T>	// T와 T의 자손 타입만 가능
<? super T>	// T와 T의 부모(조상) 타입만 가능
<?>		// 모든 타입 가능. <? extends Object>랑 같은 의미

주의점

• K extends T와 ? extends T는 비슷한 구조지만 차이점이 있음

• '유형 경계를 지정'하는 것은 같으나, 경계가 지정되고 K는 특정 타입으로 지정이 되지만, ?는 타입이 지정되지 않는다는 의미

/*
 * Number와 이를 상속하는 Integer, Short, Double, Long 등의
 * 타입이 지정될 수 있으며, 객체 혹은 메소드를 호출 할 경우 K는
 * 지정된 타입으로 변환이 된다.
 */
<K extends Number>
 
 
/*
 * Number와 이를 상속하는 Integer, Short, Double, Long 등의
 * 타입이 지정될 수 있으며, 객체 혹은 메소드를 호출 할 경우 지정 되는 타입이 없어
 * 타입 참조를 할 수는 없다.
 */
<? extends T>	// T와 T의 자손 타입만 가능

제한된 Generic의 사용 예시

extend

extend의 경우 상한경계 즉, 자신과 자손타입만 제네릭으로 지정가능하다.

public class ClassName <K extends Number> { 
	... 
}
 
public class Main {
	public static void main(String[] args) {
 
		ClassName<Double> a1 = new ClassName<Double>();	// OK!
 
		ClassName<String> a2 = new ClassName<String>();	// error!
	}
}

예시를 보면 로 설정되어 있다, Double은 Number를 상속받기 때문에 괜찮지만, String은 아니기 때문에 에러가 나게 된다.

super의 예시

super는 하한 경계 즉, super뒤에 오는 타입이 최하위 타입으로 지정된다.

public class SaltClass <E extends Comparable<E>> { ... }
 
public class Student implements Comparable<Student> {
	@Override
	public int compareTo(Person o) { ... };
}
 
public class Main {
	public static void main(String[] args) {
		SaltClass<Student> a = new SaltClass<Student>();
	}
}

보통 업캐스팅이 필요할때 사용된다.

복잡한 예제

public class ClassName <E extends Comparable<? super E>> { ... }

코테를 풀다보면 PriorityQueue, TreeSet과 같이 정렬이 필요한 클래스에서 Comparator에 대해 한번쯤 본적 있을것이다. 위의 예시와 같은 제네릭으로 구성되어 있는데 한번 분석해보자

우선 E extend Comparable을 먼저 살펴보자

extend의 경우 Comparable이 상한 경계가 된다는 의미인데, 이는 곧 Comparable의 구현이 필수적이라는 의미이다.(Comparable은 인터페이스이다.)

public class SaltClass <E extends Comparable<E>> { ... }
 
public class Student implements Comparable<Student> {
	@Override
	public int compareTo(Person o) { ... };
}
 
public class Main {
	public static void main(String[] args) {
		SaltClass<Student> a = new SaltClass<Student>();
	}
}

즉, 다음과 같이 구현이 필수적이다. 하지만 코드를 살펴보면 Comparable의 제네릭에 super를 사용하지 않은것을 볼수 있다.

그렇다면 왜 다른 클래스들에서는 super를 사용할까? 왜냐하면 구현코드가 다른 클래스를 상속받아 더 큰 범주의 클래스와 비교될수 있기 때문이다.

public class SaltClass <E extends Comparable<E>> { ... }	// Error가능성 있음
public class SaltClass <E extends Comparable<? super E>> { ... }	// 안전성이 높음
 
public class Person {...}
 
public class Student extends Person implements Comparable<Person> {
	@Override
	public int compareTo(Person o) { ... };
}
 
public class Main {
	public static void main(String[] args) {
		SaltClass<Student> a = new SaltClass<Student>();
	}
}

단순히 <E extends Comparable<E>>한다면 특정 객체와의 비교에서는 괜찮지만 해당 객체와 더 큰 범주의 객체가 비교되는 순간 제대로 정렬이 안되거나 에러가 발생할수 있다. 따라서 제네릭의 super를 통해 위의 에러를 사전에 방지한다.

와일드 카드사용시 주의점

비한정적 와일드 카드 제네릭의 범위를 extend와 super로 제한하는 것이 아닌 <?>만으로 구성하면 안된다!

public MyArrayList(Collection<?> in) {
    for (T elem : in) {
        element[index++] = elem;
    }
}

public void clone(Collection<?> out) {
    for (Object elem : element) {
        out.add((T) elem);
    }
}

?는 어떤 타입이든 올수 있지만, 어떤 타입이든 올수 있기 때문에 컴파일러 입장에서 매개변수를 꺼내거나 저장할시 타입을 알지못해 논리적 에러가 발생하게 된다.

<T super 타입> <T super 타입>의 경우 무수히 많은 클래스와 인터페이스가 올수 있기때문에 Object와 다르지 않아 사용하지 않는다.

PECS(Producer-Extends, Consumer-Super) 공식

• 이펙티브 자바에서 만든 공식

• Producer-Extends

  • 컬렉션으로부터 와일드카드 타입의 객체를 꺼내서 생성하면(produce) extends 사용

• Consumer-Super

  • 갖고 있는 객체를 컬렉션에 사용(consumer)하여 더하면 super를 사용

	void printCollection(Collection<? extends MyParent> c) {
		for (MyParent e : c) {
			System.out.println(e);
		}
	}

	void addElement(Collection<? super MyParent> c) {
		c.add(new MyParent());
	}

제네릭 메서드

개념

• 메소드의 선언 부에 적은 제네릭으로 리턴 타입, 파라미터의 타입이 정해지는 메소드

• 메서드의 선언부에 <T>가 선언된 메서드

• 직접 메서드에 <T> 제네릭을 설정함으로서 동적으로 타입을 받아와 사용할 수 있는 독립적으로 운용 가능한 메서드

// 제네릭 클래스
class ClassName<E> {
	
	private E element;	// 제네릭 타입 변수
	
	void set(E element) {	// 제네릭 파라미터 메소드
		this.element = element;
	}
	
	E get() {	// 제네릭 타입 반환 메소드 
		return element;
	}
	
	<T> T genericMethod(T o) {	// 제네릭 메소드
		return o;
	}
}

public class Main {
	public static void main(String[] args) {
		
		ClassName<String> a = new ClassName<String>();
		ClassName<Integer> b = new ClassName<Integer>();
		
		// 제네릭 메소드 Integer
		System.out.println("<T> returnType : " + a.genericMethod(3).getClass().getName());
		
		// 제네릭 메소드 String
		System.out.println("<T> returnType : " + a.genericMethod("ABCD").getClass().getName());
		
		// 제네릭 메소드 ClassName b
		System.out.println("<T> returnType : " + a.genericMethod(b).getClass().getName());
	}
}

• 제네릭 메서드인 genericMethod()는 파라미터의 타입에 따라 T타입이 결정됨

• 결과를 확인하면 같은 a인스턴스이지만 genericMethod의 파라미터에 따라 타입이 달라진것을 확인할수 있음

특징

• 제네릭 클래스와 독립적

  • 형식과 사용이 제너릭 클래스와 똑같지만, 클래스의 <T>와 제너릭 메소드의 <T>는 다름

  • 제네릭 메소드는 그 메소드를 포함하고 있는 클래스가 제네릭인지 아닌지 상관없음

  	class Student<T>{
  		public T getOneStudent(T id){ return id; }  // 1
  		public <T> T getId(T id){return id;} // 2 제네릭 클래스의 T와 다름  
  		public <S> T toT1(S id){return id; }  // 3
  		public static <S> T toT2(S id){return id;}  // 4 에러 
  	}

  • 1번: 클래스의 제너릭 타입 T를그대로 사용하는 경우

  • 2번: 클래스의 제너릭 타입 T와 제너릭 메소드 타입 T는 다름

  • 3번: static 메소드가 아닌 일반메소드기 때문에 클래스의 타입과 제너릭 메소드의 타입 같이 사용가능

  • 4번: static 메소드기 때문에 클래스의 제너릭 타입 T를 사용하기 때문에 에러 발생

제네릭 메서드 사용이유

• 제네릭 매소드는 호출 시에 매게 타입을 지정하기 때문에 Static이 가능함

  • 정적(static) 메서드를 선언할때 필요

  • static키워드가 붙으면 프로그램 실행시 메모리에 올라감

  • 외부에서 타입을 결정해주는 제네릭의 특성상 인스턴스 생성이 되기 전까지 타입 결정이 되지 않아 에러가 날수 있음

  class ClassName<E> {
  	static <E> E genericMethod1(E o) { // 제네릭 메소드
  		return o;
  	}
  }
  
  class Main {
  	public static void main(String[] args) {
  		ClassName.getnerMethod(3);
  	}
  }

  따라서 static의 경우 제네릭 타입을 메서드의 파라미터를 통해 지정하여 에러를 막을수 있다!

Ref

[Java] 제네릭과 와일드카드 타입에 대해 쉽고 완벽하게 이해하기(공변과 불공변, 상한 타입과 하한 타입)

[Java] 제네릭 메소드(Generic Method)란?

자바 제네릭(Generics) 개념 & 문법 정복하기