제네릭은 Set<E>, Map<K,V> 등의 컬렉션과 ThreadLocal<T>, AtomicReference<T> 등의 단일원소 컨테이너에도 흔히 쓰인다. 이런 모든 쓰임에서 매개변수화되는 대상은 원소가 아닌 컨테이너 자신이므로, 하나의 컨테이너에서 매개변수화할 수 있는 타입의 수가 제한된다. 예컨대 Set에는 원소의 타입을 뜻하는 단 하나의 타입 매개변수만 있으면 되며, Map에는 키와 값의 타입을 뜻하는 2개만 필요한 식이다.
하지만 더 유연한 수단이 필요할 때도 종종 있다. 예컨대 데이터베이스의 행(row)은 임의 개수의 열(column)을 가질 수 있는데, 모두 열을 타입 안전하게 이용할 수 있다면 멋질 것이다. 다행히 쉬운 해법이 있는데, 컨테이너 대신 키를 매개변수화한 다음, 컨테이너에 값을 넣거나 뺄 때 매개변수화한 키를 함께 제공하면 된다. 이렇게 하면 제네릭 타입 시스템이 값의 타입이 키와 같음을 보장해주고, 이러한 설계 방식을 타입 안전 이종 컨테이너 패턴(type safe heterogeneous container pattern)이라 한다.
간단한 예로 타입별로 즐겨 찾는 인스턴스를 저장하고 검색할 수 있는 Favorites 클래스와 이를 사용하는 예시를 보자.
1 2 3 4 5 6 7 | /* * 타입 안전 이종 컨테이너 패턴 - API */ public class Favorites { public <T> void putFavorite(Class<T> type, T instance); public <T> T getFavorite(Class<T> type); } | cs |
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 | /* * 타입 안전 이종 컨테이너 패턴 - 클라이언트 */ public static void main(String[] args) { Favorites f = new Favorites(); f.putFavorite(String.class, "Java"); f.putFavorite(Integer.class, 0xcafebabe); f.putFavorite(Class.class, Favorites.class); String favoriteString = f.getFavorite(String.class); int favoriteInteger = f.getFavorite(Integer.class); Class<?> favoriteClass = f.getFavorite(Class.class); System.out.printf("%s %x %s%n", favoriteString, favoriteInteger, favoriteClass.getName()); } | cs |
기대한 대로 이 프로그램은 Java cafebabe Favorites를 출력하며, Favorites 인스턴스는 타입 안전하다. String을 요청했는데 Integer를 반환하는 일은 절대 없고, 모든 키의 타입이 제각각이라 일반적인 맵과 달리 여러 가지 타입의 원소를 담을 수 있다. 따라서 Favorites는 타입 안전 이종(heterogeneous) 컨테이너라 할 만하다.
Favorites의 구현은 놀랍도록 간단한데, 다음 코드가 전부다.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 | /* * 타입 안전 이종 컨테이너 패턴 - 클라이언트 */ public class Favorites { private Map<Class<?>, Object> favorites = new HashMap<>(); public <T> void putFavorite(Class<T> type, T instance) { favorites.put(Objects.requireNonNull(type), instance); } public <T> T getFavorite(Class<T> type) { return type.cast(favorites.get(type)); } } | cs |
Favorites가 사용하는 private 맵 변수인 favorites의 타입은 Map<Class<?>, Object>이다. 비한정적 와일드카드 타입이라 이 맵 안에 아무것도 넣을 수 없다고 생각할 수 있지만, 사실은 그 반대로 와일드카드 타입이 중첩(nested)된 것이다. 맵이 아니라 키가 와일드카드 타입이므로, 모든 키가 서로 다른 매개변수화 타입일 수 있다.
다음은 favorites 맵의 값 타입은 단순히 Object이므로, 키와 값 사이의 타입 관계를 보장하지 않는다. 즉, 모든 값이 키로 명시한 타입임을 보증하지 않는다. 사실 자바의 타입 시스템에서는 이 관계를 명시할 방법이 없지만, 우리는 이 관계가 성립함을 알고 있고, 즐겨찾기를 검색할 때 그 이점을 누리게 된다.
putFavorite 구현은 아주 쉬운데, 주어진 Class 객체와 즐겨찾기 인스턴스를 favorites에 추가해 관계를 지으면 끝이다. 말했듯이, 키와 값 사이의 '타입 링크(type linkage)' 정보는 버려져서, 그 값이 그 키 타입의 인스턴스라는 정보가 사라진다. 하지만 getFavorite 메소드에서 이 관계를 되살릴 수 있다.
getFavorite은 먼저 주어진 Class 객체에 해당하는 값을 favorites 맵에서 꺼낸다. 이 객체가 바로 반환해야 할 객체가 맞지만, 잘못된 컴파일타임 타입을 가지고 있다. 이 객체의 타입은 favorites 맵의 값 타입인 Object이나, 우리는 이를 T로 바꿔 반환해야 한다. 따라서 getFavorite 구현은 Class의 cast 메소드를 사용해 이 객체 참조를 Class 객체가 가리키는 타입을 동적 형변환한다.
cast 메소드는 형변환 연산자의 동적 버전으로, 단순히 주어진 인수가 Class 객체가 알려주는 타입의 인스턴스인지를 검사한 다음, 맞다면 그 인수를 그대로 반환하고, 아니면 ClassCastException을 던진다. 클라이언트 코드가 깔끔히 컴파일된다면 getFavorite이 호출하는 cast는 ClassCastException을 던지지 않을 것임을 우리는 알고 있다. 다시 말해 favorites 맵 안의 값은 해당 키의 타입과 항상 일치함을 알고 있다.
cast 메소드가 단지 인수를 그대로 반환하기만 하는데 사용하는 이유는, cast 메소드의 시그니처가 Class 클래스가 제네릭이라는 이점을 완벽히 활용하기 때문이다. cast의 반환 타입은 Class 객체의 타입 매개변수와 같다는 점이 T로 비검사 형변환하는 손실 없이도 Favorites를 타입 안전하게 만드는 비결이다.
지금의 Favorites 클래스에는 알아두어야 할 제약이 두 가지 있다. 첫 번째, 악의적인 클라이언트가 Class 객체를 제네릭이 아닌 로 타입으로 넘기면 Favorites 인스턴스의 타입 안전성이 쉽게 깨진다. 하지만 이렇게 짜여진 클라이언트 코드에서는 컴파일할 때 비검사 경고가 뜰 것이다. Favorites가 타입 불변식을 어기는 일이 없도록 보장하려면 putFavorite 메소드에서 인수로 주어진 instance의 타입이 type으로 명시한 타입과 같은지 확인하면 된다. 그 방법은 그냥 동적 형변환을 쓰면 된다.
Favorites 클래스의 두 번째 제약은 실체화 불가 타입에는 사용할 수 없다는 것이다. 다시 말해, 즐겨 찾는 String이나 String[]은 저장할 수 있어도 즐겨 찾는 List<String>은 저장할 수 없다. List<String>용 Class 객체를 얻을 수 없기 때문에 List<String>을 저장하려는 코드는 컴파일되지 않을 것이다. List<String>.class라고 쓰면 문법 오류가 난다. 이 제약은 슈퍼 타입 토큰(super type token)으로 해결하려는 시도도 있다.
Favorites가 사용하는 타입 토큰은 비한정적으로 getFavorite과 putFavorite은 어떤 Class 객체든 받아들인다. 때로는 이 메소드들이 허용하는 타입을 제한하고 싶을 수 있는데, 한정적 타입 토큰을 활용하면 가능하다. 한정적 타입 토큰이란 단순히 한정적 타입 매개변수나 한정적 와일드카드를 사용하여 표현 가능한 타입을 제한하는 타입 토큰이다.
컬렉션 API로 대표되는 일반적인 제네릭 형태에서는 한 컨테이너가 다룰 수 있는 타입 매개변수의 수가 고정되어 있다. 하지만 컨테이너 자체가 아닌 키를 타입 매개변수로 바꾸면 이런 제약이 없는 타입 안전 이종 컨테이너를 만들 수 있다. 타입 안전 이종 컨테이너는 Class를 키로 쓰며, 이런 식으로 쓰이는 Class 객체를 타입 토큰이라 한다. 또한, 직접 구현한 키 타입도 쓸 수 있다. 예컨대 데이터베이스의 행(컨테이너)을 표현한 DatabaseRow 타입에는 제네릭 타입인 Column<T>를 키로 사용할 수 있다.