하나의 타입에 강아지와 고양이 담기

파라미터의 다형성과 제네릭

2019.5.12↗

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파라미터의 다형성
제네릭으로 인한 성능 저하
References

여기 강아지와 고양이가 있다.

data class Dog(val name: String)
data class Cat(val name: String)

identity 함수는 항상 파라미터를 그대로 반환하는 항등 함수다. identity(dog: Dog) 함수는 Dog 타입 인자를 받아 반환하며, identity(cat: Cat) 함수는 Cat 타입 인자를 받아 반환한다.

fun identity(dog: Dog) = dog
fun identity(cat: Cat) = cat

val dog = Dog("Jake")
identity(dog) // Dog("Jake")

val cat = Cat("Cake")
identity(cat) // Cat("Cake")

만약 Fox 타입에 대한 항등 함수를 사용하려 한다면 타입 에러가 발생할 것이다. Fox 타입을 인자로 받는 identity 함수를 정의하지 않았기 때문이다.

data class Fox(val name: String)

val fox = Fox("Nick")
identity(fox) // None of the following functions can be called with the arguments supplied:
              // public fun identity(cat: Cat): Cat defined in root package in file File.kt
              // public fun identity(dog: Dog): Dog defined in root package in file File.kt

새로운 타입이 추가될 때마다 인자의 타입만 다르고 똑같은 동작을 하는 identity 함수를 만드는 것은 효율적이지 않다. 이때 다형성(Polymorphism)으로 문제를 해결할 수 있다.

파라미터의 다형성

다형성은 하나의 엔티티를 여러 타입으로 사용할 수 있게 해준다. 다형성에는 다양한 종류가 있지만, 여기서는 파라미터의 다형성(Parametric polymorphism)에 대해서만 다룬다.

파라미터의 다형성은 표현식을 값이 아닌 타입으로 파라미터화(Parameterization)시킨다. 파라미터화는 함수가 파라미터를 이용해 표현식을 추상화하는 것을 말한다. 가령 fun twice(x: Int) = x + x 함수는 x + x라는 표현식을 파라미터 x로 파라미터화한 것이다. 이때 42 + 42는 twice(42)로 추상화된다. 함수는 파라미터를 실제 값으로 대체한다. twice 함수는 파라미터 x를 42라는 실제 값으로 파라미터화했다. 한편 타입으로 파라미터화를 하면 타입 파라미터를 실제 타입으로 대체하게 된다. 이를 함수와 구분하기 위해 타입 추상화(Type abstraction)라는 용어를 사용한다.^[1]

앞서 본 항등 함수를 타입 파라미터 T를 이용하여 타입으로 파라미터화하면 아래와 같이 작성할 수 있다. 객체 지향 프로그래밍에서는 이런 식의 파라미터의 다형성을 제네릭(Generic)이라고 부른다.

fun <T> identity(x: T) = x

타입 파라미터 T는 함수를 사용하는 시점에 실제 타입이 특정되며, Dog, Cat, Fox 뿐 아니라 Int, String 등 어떤 타입이든 적용할 수 있다. 더 이상 타입별로 identity 함수를 만들 필요가 없는 것이다.

val dog = Dog("Jake")
identity(dog) // Dog("Jake")

val fox = Fox("Nick")
identity(fox) // Fox("Nick")

val num = 10
identity(10) // 10

제네릭으로 인한 성능 저하

타입 파라미터를 사용할 때마다 타입 캐스팅이 발생한다면 런타임 성능을 우려할 수도 있다. JVM은 타입 소거(Type erasure)를 통해 런타임에 타입 정보를 제거함으로써 제네릭을 구현한다. 모든 타입 파라미터는 Object로 취급되며, 타입 파라미터 T의 구체적인 타입을 런타임에 알 수 없다. 이렇게 JVM은 제네릭이 없던 시절에 작성된 코드에 대한 하위호환성을 보장하는 동시에 제네릭의 런타임 오버헤드를 해소한다.

fun <T> Any.isT() = this is T // Cannot check for instance of erased type: T

인라인 함수의 경우 컴파일 타임에 함수의 내용이 사용처에 인라이닝되기 때문에 이러한 문제를 피할 수 있다. 코틀린은 인라인 함수를 사용할 때 런타임에 타입 파라미터의 구체적인 타입을 명시하는 reified 키워드를 지원한다.

inline fun <reified T> Any.isT() = this is T

러스트의 경우 단형성화(Monomorphization)을 통해 제네릭의 런타임 오버헤드를 해소한다. 단형성화는 컴파일 타임에 제네릭 코드의 사용처를 바탕으로 구체적인 타입을 가진 코드를 생성하고, 이를 사용하도록 변경하는 과정을 말한다. 가령 아래와 같은 제네릭 구조체 Point<T>의 타입 파라미터에 i32, f64 타입을 전달해 사용한다고 가정하자.

struct Point<T> {
    x: T,
    y: T,
}

fn main() {
    let integer = Point { x: 5, y: 10 };
    let float = Point { x: 1.0, y: 4.0 };
}

컴파일러가 단형성화를 수행하면 아래와 같이 구체적인 타입을 명시한 구조체를 만들어 사용하게 된다. 이로써 러스트에서는 제네릭으로 인한 런타임 성능 저하가 발생하지 않는다.

struct Point_i32 {
    x: i32,
    y: i32,
}

struct Point_f64 {
    x: f64,
    y: f64,
}

fn main() {
    let integer = Point_i32 { x: 5, y: 10 };
    let float = Point_f64 { x: 1.0, y: 4.0 };
}

References

조재용, 우명인, “코틀린으로 배우는 함수형 프로그래밍”, 인사이트, 2019.
Jaemin Hong, Sukyoung Ryu, “Introduction to Programming Languages”, 2021.

[1]
Jaemin Hong, Sukyoung Ryu, “Introduction to Programming Languages”, 2021, pp. 21. ↩︎

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