자바 제네릭의 공변성과 반공변성

제네릭 변성이란?

자바의 제네릭은 기본적으로 무공변(Invariant) 특성을 가집니다. 이는 두 타입 간에 상속 관계가 있더라도 제네릭 타입에서는 그 관계가 유지되지 않는다는 의미입니다. 예를 들어, Cat이 Animal의 하위 타입이어도 List<Cat>과 List<Animal>은 서로 할당할 수 없습니다.

이러한 무공변성은 타입 안정성을 보장하지만 유연성이 부족합니다. 자바는 이 문제를 해결하기 위해 와일드카드(?)와 extends, super 키워드를 통해 공변성과 반공변성을 지원합니다.

public class Animal {}
public class Cat extends Animal {}

// 무공변 - 컴파일 에러
List<Animal> animals = new ArrayList<Cat>(); // 에러
List<Cat> cats = new ArrayList<Animal>(); // 에러

핵심 개념

1. 무공변성 (Invariance)

무공변성은 제네릭 타입이 정확히 일치해야 한다는 원칙입니다. 이는 런타임 타입 안정성을 보장하지만 코드의 재사용성을 제한합니다.

public void processAnimals(List<Animal> animals) {
    // Animal 타입의 리스트만 받을 수 있음
    animals.add(new Animal());
}

List<Cat> cats = new ArrayList<>();
processAnimals(cats); // 컴파일 에러 - Cat은 Animal의 하위 타입이지만 불가능

2. 공변성 (Covariance) - ? extends

공변성은 <? extends T> 문법을 통해 구현되며, T의 하위 타입들을 허용합니다. 이는 생산자(Producer) 역할로 사용되며, 읽기 전용으로 동작합니다.

public void readAnimals(List<? extends Animal> animals) {
    // 읽기만 가능
    for (Animal animal : animals) {
        System.out.println(animal.toString());
    }
    
    // 쓰기는 null만 가능
    animals.add(null); // OK
    animals.add(new Animal()); // 컴파일 에러
}

List<Cat> cats = Arrays.asList(new Cat(), new Cat());
readAnimals(cats); // OK - Cat은 Animal의 하위 타입

3. 반공변성 (Contravariance) - ? super

반공변성은 <? super T> 문법을 통해 구현되며, T의 상위 타입들을 허용합니다. 이는 소비자(Consumer) 역할로 사용되며, 쓰기 전용으로 동작합니다.

public void addCats(List<? super Cat> animals) {
    // 쓰기 가능
    animals.add(new Cat()); // OK
    animals.add(new Animal()); // 컴파일 에러 - Cat의 하위 타입만 가능
    
    // 읽기는 Object 타입으로만 가능
    Object obj = animals.get(0); // OK
    Cat cat = animals.get(0); // 컴파일 에러
}

List<Animal> animals = new ArrayList<>();
addCats(animals); // OK - Animal은 Cat의 상위 타입

4. PECS 원칙

PECS(Producer Extends, Consumer Super)는 제네릭 와일드카드 사용의 가이드라인입니다. 데이터를 생산(읽기)할 때는 extends를, 데이터를 소비(쓰기)할 때는 super를 사용합니다.

// Producer - 데이터를 제공하는 역할
public <T> void copyAll(List<? extends T> src, List<? super T> dest) {
    for (T item : src) { // src에서 읽기
        dest.add(item);  // dest에 쓰기
    }
}

List<Cat> cats = Arrays.asList(new Cat(), new Cat());
List<Animal> animals = new ArrayList<>();
copyAll(cats, animals); // Cat을 읽어서 Animal 리스트에 추가

정리

• 무공변성: 타입 안정성을 보장하지만 유연성이 부족
• 공변성: 하위 타입 허용으로 읽기 작업에 유연성 제공
• 반공변성: 상위 타입 허용으로 쓰기 작업에 유연성 제공
• PECS 원칙: Producer는 extends, Consumer는 super를 사용하여 적절한 변성 선택