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[Item18] 상속보다는 컴포지션을 사용하라

Intro

  • 상속은 코드를 재사용하는 강력한 수단이지만, 항상 최선은 아니다.
    • 잘못 사용하면 오류를 내기 쉬운 소프트웨어를 만들게 된다.
  • 상위 클래스, 하위 클래스를 모두 같은 프로그래머가 통제하는 패키지 안에서라면 상속도 안전한 방법일 수 있다.
    • 하지만 일반적인 구체 클래스를 패키지 경계를 넘어, 다른 패키지의 구체 클래스를 상속하는 일은 위험하다.

잘못된 예 - 상속을 잘못 사용했다!

HashMap 기능을 사용하면서, 생성된 이후 몇개의 원소가 더해졌는지 알 수 있는 기능을 추가한 클래스를 구현

public class InstrumentedHashSet<E> extends HashSet<E> {
  private int addCount = 0;
  
  public InstrumentedHashSet(int initCap, float loadFactor) {
  super(initCap, loadFactor);
  }

  @Override 
  public boolean add(E e) {
		addCount++;
		return super.add(e);
	}

  @Override 
  public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
		addCount += c.size();
		return super.addAll(c);
	}

	public int getAddCount() {
		return addCount;
	}
}
InstrumentedHashSet<String> s = new InstrumentedHashSet<>();
s.addAll(List.of("용", "용용", "용용용"));

getAddCount 를 호출하면 3이 반환될 것 같지만 실제로는 6을 반환한다.

  • HashSet의 addAll 은 각 원소마다 add 를 호출하게 구현이 되어있다.
  • 이처럼 오류를 범할 수 있으며 직접 HashSet의 addAll() 메서드를 확인하기 전까진 그 이유를 알 수 없습니다.
public abstract class AbstractCollection<E> implements Collection<E> {
    // ...

    public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
        boolean modified = false;
        for (E e : c)
            if (add(e))
                modified = true;
        return modified;
    }

    // ...
}

이 예제의 경우, addAll 메서드를 재정의하지 않거나, 다른 식의 재정의를 통해 문제를 해결할 수 있다.

  • 재정의 하지 않는 경우 (HashSet의 addAll 을 사용하는 경우)
    • HashSet의 addAll메서드가 add메서드를 이용해 구현했다는 것을 가정한다는 한계를 가진다.
    • 즉, 현재 addAll 메서드의 구조에만 의존하게 되는 것이다. → 구조 변화가 일어나면 문제가 생길 것
  • 다른 식의 재정의를 하는 경우 (InstrumentedHashSet에서 아예 새롭게 addAll 을 재정의 하는 경우)
    • 상위 클래스 메서드와 똑같이 동작하도록 구현해야 하는데, 이 방식은 어려울 수도 있으며, 시간도 더 들고, 오류 및 성능하락의 문제를 가져올 수 있다.

다음 릴리스에서 상위 클래스에 새로운 메서드를 추가한다면?

  • 새롭게 추가된 메서드를 통해서 허용되지 않은 동작을 수행할 수 있게 될 수도 있다.
  • 만약 하위 클래스에 추가한 메서드와 상위 클래스에 새롭게 추가된 메서드의 시그니처가 같고 반환 타입이 다르다면 컴파일조차 되지 않는다.
    • 하위 클래스에 메서드를 작성할 때는 상위 클래스의 메서드는 존재하지도 않았으니, 하위 클래스의 메서드는 상위 클래스에 새롭게 추가된 메서드가 요구하는 규약을 지키지 못할 가능성이 크다.

문제들을 해결할 좋은 방법이 있다!

  • 기존 클래스를 확장하는 대신, 새로운 클래스를 만들고 private 필드로 기존 클래스의 인스턴스를 참조하게 하면 된다.
    • 기존 클래스가 새로운 클래스의 구성요소로 쓰인다는 뜻에서 이러한 설계를 컴포지션(composition; 구성)이라 한다.
  • 새 클래스의 인스턴스 메서드들은 (private 필드로 참조하는) 기존 클래스의 대응하는 메서드를 호출해 그 결과를 반환한다.
    • 이 방식을 **전달(forwarding)**이라 하며, 새 클래스의 메서드들을 전달 메서드(forwarding method)라 부른다.
    • 그 결과 새로운 클래스는 기존 클래스의 내부 구현 방식의 영향에서 벗어나며, 심지어 기존 클래스에 새로운 메서드가 추가되더라도 전혀 영향받지 않는다.

컴포지션이란?

기존 클래스를 확장하지 않고, 새로운 클래스를 만든 후, private 필드로 기존 클래스의 인스턴스를 참조하게 하도록 설계하는 방법이다.

→ 기존 클래스가 새로운 클래스의 구성요소로 쓰이게 되는 구조

HashMap 예제를 컴포지션으로 변환

public class InstrumentedHashSetUseComposition<E> extends ForwardingSet<E> {
    private int addCount = 0;

    public InstrumentedHashSetUseComposition(Set<E> s) {
        super(s);
    }

    @Override
    public boolean add(E e) {
        addCount++;
        return super.add(e);
    }

    @Override
    public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
        addCount += c.size();
        return super.addAll(c);
    }

    public int getAddCount() {
        return addCount;
    }
}

아래는 재사용할 수 있는 전달클래스인 ForwardingSet

public class ForwardingSet<E> implements Set<E> {
    private final Set<E> s;

    public ForwardingSet(Set<E> s) {
        this.s = s;
    }

    public int size() {
        return 0;
    }

    public boolean isEmpty() {
        return s.isEmpty();
    }

    public boolean contains(Object o) {
        return s.contains(o);
    }

    public Iterator<E> iterator() {
        return s.iterator();
    }

    public Object[] toArray() {
        return s.toArray();
    }

    public <T> T[] toArray(T[] a) {
        return s.toArray(a);
    }

    public boolean add(E e) {
        return s.add(e);
    }

    public boolean remove(Object o) {
        return s.remove(o);
    }

    public boolean containsAll(Collection<?> c) {
        return s.containsAll(c);
    }

    public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
        return s.addAll(c);
    }

    public boolean retainAll(Collection<?> c) {
        return s.retainAll(c);
    }

    public boolean removeAll(Collection<?> c) {
        return s.removeAll(c);
    }

    public void clear() {
        s.clear();
    }

    @Override
    public boolean equals(Object o) {
        return s.equals(o);
    }

    @Override
    public int hashCode() {
        return s.hashCode();
    }

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

용어

  • 전달(Forwarding)
    • 새 클래스의 메서드들이 기존 클래스를 대응하는 메서드들을 호출해 그 결과를 반환하는 것
  • 전달 메서드(Forwarding method)
    • 전달(Forwarding)을 수행하는 새로운 클래스의 메서드들
  • 래퍼 클래스 (Wrapper class), 데코레이터 패턴 (Decorator pattern)
    • InstrumentedSet 같이 Set 인스턴스를 감싸고, 기능을 덧씌운다는 뜻에서 이렇게 불린다.

컴포지션의 장점

  • 한 번만 구현해두면 사용한 인터페이스(Set, Map, ...)의 어떠한 구현체에도 적용이 가능하다.
  • 기존 클래스 내부 구현방식의 영향에서 벗어나며, 기존 클래스의 새로운 메서드가 추가되더라도 전혀 영향받지 않는다. (유연하다)
  • 단점이 거의 없다

컴포지션의 단점

  • 구체 클래스 각각을 따로 확장해야 하며, 지원하고 싶은 상위 클래스의 생성자 각각에 대응하는 생성자를 별도로 정의해줘야 한다.
  • 콜백(Callback) 프레임워크와는 어울리지 않는다.

래퍼 클래스와 SELF 문제

  • 콜백 프레임워크에서는 자기 자신의 참조를 다른 객체에 넘겨서 다음 호출(콜백) 때 사용하도록 한다.
  • 내부 객체는 자신을 감싸고 있는 래퍼의 존재를 모르니 대신 자신(this)의 참조를 넘기고, 콜백 때는 래퍼가 아닌 내부 객체를 호출하게 되는데, 이를 SELF 문제라고 한다.

상속과 is-a

  • 상속은 반드시 하위 클래스가 상위 클래스의 '진짜' 하위 타입인 상황에서만 쓰여야 한다.
  • 즉, 클래스 B가 클래스 A와 is-a 관계일 때만 클래스 A를 상속해야 한다.
  • 만약 is-a 관계가 아니라면 A는 B의 필수 구성요소가 아니라 구현하는 방법 중 하나일 뿐이다.
  • is-a는 말 그대로 'A는 B이다'일 때의 '~이다'와 같다.

핵심 정리

  • 상속은 강력하지만 캡슐화를 해친다는 문제가 있다.
  • 상속은 상위 클래스와 하위 클래스가 순수한 is-a 관계일 때만 써야 한다.
    • is-a 관계일 때도 안심할 수만은 없다. 하위 클래스의 패키지가 상위 클래스와 다르고, 상위 클래스가 확장을 고려해 설계되지 않았을 수도 있기 때문이다.
  • 상속의 취약점을 피하려면 상속 대신 컴포지션과 전달을 사용한다. 특히 래퍼 클래스로 구현할 적당한 인터페이스가 있다면 더욱 그렇다. 래퍼 클래스는 하위 클래스보다 견고하고 강력하다.