3장 타입과 추상화

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3장 타입과 추상화

일단 컴퓨터를 조작하는 것이 추상화를 구축하고, 조직하고, 추론하는 것에 관한 모든 것이라는 것을 깨닫고 나면 (훌륭한) 컴퓨터 프로그램을 작성하기 위한 중요한 전제 조건은 추상화를 정확하게 다루는 능력이라는 것이 명확해진다.

• 키스 데블린

영국 지하철 사례로 이야기를 시작하는데 책과 관련은 없지만 개발자가 꼭 알아야 하는 사례와 같은 계획 오류라는 개념이 있다.

누구나 경험해봤을 이야기지만 책에 잘 정리된 내용이 있어서 첨부한다.

지하철 노선도 디자인에서 가장 중요한 것은 얼마나 사실적으로 지형을 묘사했느냐가 아니라 역과 역 사이의 연결성을 얼마나 직관적으로 표현했느냐다.

추상화를 통한 복잡성 극복

현실은 매우 복잡하며 예측 불가능한 혼돈 덩어리다.

현실에 존재하는 다양한 현상 및 사물과 상호작용하기 위해서는 우선 현실을 이해해야 한다.

문제는 복잡성의 총제인 현실이라는 괴물을 그대로 수용하기에는 인간이 지니고 있는 능력과 저장 공간이 너무나도 보잘것없다는 점이다.

따라서 사람들은 본능적으로 이해하기 쉽고 예측 가능한 수준으로 현실을 분해하고 단순화하는 전략을 따른다.

따라서 진정한 의미에서 추상화란 현실에서 출발하되 불필요한 부분을 도려내가면서 사물의 놀라운 본질을 드러나게 하는 과정이라고 할 수 있다.

추상화의 목적은 불필요한 부분을 무시함으로써 현실에 존재하는 복잡성을 극복하는 것이다.

좀 더 단순하게 본다는 점에서 코페르니쿠스와 같은 개념을 가진다.

"현상은 복잡하다. 법칙은 단순하다. 버릴 게 무엇인지 알아내라."

• 리처드 파인만

따라서 추상화는 다음과 같다.

• 추상화
  • 어떤 양상, 세부 사항, 구조를 좀 더 명확하게 이해하기 위해 특정 절차나 의도적으로 생략하거나 감춤으로써 복잡도를 극복하는 방법이다.
  • 복잡성을 다루기 위해 추상화는 두 차원에서 이뤄진다.
    • 첫 번째 차원은 구체적인 사물들 간의 공통점은 취하고 차이점은 버리는 일반화를 통해 단순화하는 것이다.
    • 두 번째 차원은 중요한 부분을 강조하기 위해 불필요한 세부 사항을 제거함으로써 단순화하는 것이다.
  • 모든 경우에 추상화의 목적은 복잡성을 이해하기 쉬운 수준으로 단순화하는 것이라는 점을 명심해라

객체지향 패러다임은 객체라는 추상화를 통해 현실의 복잡성을 극복한다.

그리고 객체지향 패러다임을 이용해 유용하고 아름다운 애플리케이션을 개발하기 위한 첫걸음은 추상화의 두 차원을 올바르게 이해하고 적용하는 것이다.

객체지향과 추상화

모두 트럼프일 뿐

"기껏해야 트럼프에 불과해. 무서워할 필요 없어"

정원사, 클로버 병사들 모두 객체이지만 앨리스는 이를 하나로 아울러 생각하고 있다.

앨리스는 객체들 중에서 하얀 토끼를 제외하고 모든 객체를 '트럼프'라는 하나의 개념으로 단순화해서 바라보고 있다.

그들의 나이, 계급, 성격을 무시한 채 트럼프라는 유사성을 기반으로 추상화하여 바라보고 있는 것이다.

그룹으로 나누어 단순화하기

명확한 경계를 가지고 서로 구별할 수 있는 구체적인 사람이나 사물을 객체지향 패러다임에서 객체라고 한다.

앨리스 이야기에서 다양한 인물들을 '트럼프'라는 한 단어로 줄여 지칭할 수 있는 이유는 '트럼프'라고 했을 때 떠오르는 일반적인 외형과 행동 방식을 지니고 있기 때문이다.

결과적으로 앨리스는 정원에 있는 인물들을 두 개의 그룹으로 나눠서 바라본다.

트럼프 그룹과 하얀 토끼 그룹으로 나누어서 바라보고 있다.

이 이야기에서 토끼는 하나로 존재하지만 다수의 개별적인 인물이 아닌 그룹을 통해 정원을 바라보기 때문에 정원에 내재된 복잡성을 효과적으로 감소시킨다.

앨리스뿐만 아니라 우리도 그러하다. 지나가는 사람의 모든 정보를 해석하지 않고 사람으로 추상화하기 때문이다.

개념

앨리스는 인물들의 차이점을 의도적으로 무시하고 공통점만을 강조함으로써 '트럼프'라는 그룹에 속할 수 있는 인물들을 취사선택한 것이다.

앨리스가 인물들의 차이점을 무시하고 공통점만을 취해 트럼프라는 개념으로 단순화한 것은 추상화의 일종이다.

객체지향 패러다임의 중심에는 구체적이고 실제적인 객체가 존재하지만 수많은 객체들을 개별적인 단위로 취급하기에는 인간이 지닌 인지능력은 턱없이 부족하다. (본능적인 추상화를 한다.)

이처럼 공통점을 기반으로 객체들을 묶기 위한 그릇을 개념이라고 한다. (관념이나 아이디어)

개념을 이용하면 객체를 여러 그룹으로 분류할 수 있다.

결과적으로 개념은 공통점을 기반으로 객체를 분류할 수 있는 일종의 체라고 할 수 있다.

결국 각 객체는 특정한 개념을 표현하는 그룹의 일원으로 포함된다.

하트 여왕은 트럼프라는 개념 그룹의 일원이고 하얀 토끼는 토끼라는 개념 그룹의 일원이다.

이처럼 객체에 어떤 개념을 적용하는 것이 가능해서 개념 그룹의 일원이 될 때 객체를 그 개념의 인스턴스라고 한다.

개념은 세상의 객체들을 거르는 데 사용하는 정신적인 렌즈를 제공한다.

이 렌즈를 통해 세상을 바라보면 수백 수천 개의 다양한 객체가 존재하는 복잡한 세상을 몇 개의 개념만으로 단순화할 수 있다.

개념의 세 가지 관점

개념은 특정한 객체가 어떤 그룹에 속할 것인지를 결정한다. (어떤 개념의 인스턴스인지를 결정한다.)

일반적으로 객체의 분류 장치로서 개념을 이야기할 때는 아래의 세 가지 관점을 함께 언급한다.

• 심볼(symbol): 개념을 가리키는 간략한 이름이나 명칭
• 내연(intension): 개념의 완전한 정의를 나타내며 내연의 의미를 이용해 객체가 개념에 속하는지 여부를 확인할 수 있다.
• 외연(extension): 개념에 속하는 모든 객체의 집합

먼저 심볼이란 앨리스 이야기에서 '트럼프'에 해당된다.

'내연'이란 개념의 의미를 나타낸다. 앨리스 이야기에선 몸이 납작하고, 두 손과 발이 네모난 몸 모서리에 달려 있는지 여부를 판단하기 위한 조건이라는 점에 주목하자.

마지막으로 '외연'은 개념에 속하는 객체들, 즉 개념의 인스턴스들이 모여 이뤄낸 집합을 가리킨다.

개념을 이용해 공통점을 가진 객체들을 분류할 수 있다는 아이디어는 객체지향 패러다임이 복잡성을 극복하는 데 사용하는 가장 기본적인 인지 수단이다.

객체를 분류하기 위한 틀

어떤 객체와 마주했을 때 객체에게 적용할 개념을 결정하는 것은 결국 해당 객체를 개념이 적용된 객체 집합의 일원으로 맞아들인다는 것을 의미한다.

어떤 객체가 개념에 적합하지 않을 경우 해당 객체는 해당 개념의 객체 집합에 포함되지 않을 것이다.

분류란 객체에 특정한 개념을 적용하는 작업이다. 객체에 특정한 개념을 적용하기로 결심했을 때 우리는 그 객체를 특정한 집합의 멤버로 분류하고 있는 것이다.

분류는 객체지향의 가장 중요한 개념 중 하나다. 어떤 객체를 어떤 개념으로 분류할지가 객체지향의 품질을 결정한다.

객체를 적절한 개념에 따라 분류하지 못한 애플리케이션은 유지보수가 어렵고 변화에 쉽게 대처하지 못한다.

반면에 객체를 적절한 개념에 따라 분류한 애플리케이션은 유지보수가 용이하고 변경에 유연하게 대처할 수 있다.

더 중요한 것은 절절한 분류 체계는 애플리케이션을 다루는 개발자의 머릿속에 객체를 쉽게 찾고 조작할 수 있는 정신적 지도를 제공한다는 점이다.

분류는 추상화를 위한 도구다

개념은 객체들의 복잡성을 극복하기 위한 추상화 도구다.

그리고 오늘을 살아가는 우리는 매 순간 세상에 존재하는 무수한 사물들을 개념의 틀로 걸러가며 세상을 추상화한다.

추상화를 사용함으로써 우리는 극도로 복잡한 이 세상을 그나마 제어 가능한 수준으로 단순화할 수 있는 것이다.

타입

타입은 개념이다

타입의 정의는 개념의 정의와 완전히 동일하다.

타입의 개념과 동일하다. 따라서 타입이란 우리가 인식하고 있는 다양한 사물이나 객체에 적용할 수 있는 아이디어나 관념을 의미한다. 어떤 객체에 타입을 적용할 수 있을 때 그 객체를 타입의 인스턴스라고 한다. 타입의 인스턴스는 타입을 구성하는 외연인 객체 집합의 일원이 된다.

물론 타입이 이렇게 쉽게 정의된다면 좋겠지만, 컴퓨터에서 다루는 타입은 좀 더 기계적인 의미로 윤색될 수밖에 없다.

기계적인 의미는 종종 개발자들의 머리를 혼란스럽게 한다.

데이터 타입

실제 메모리를 들여다 보면 그 안에는 끝없이 펼처진 0과 1의 행렬만이 존재한다.

실제로 '타입이 없다'는 말은 메모리 안의 데이터를 다룰 수 있는 단 하나의 타입만이 존재한다는 것을 의미한다.

타입이 없는 체계 안에서 모든 데이터는 일련의 비트열로 구성된다.

어떤 메모리 조각에 들어 있는 값의 의미는 그 값을 가져다 자신의 용도에 맞게 사용하는 외부의 해석가에 의해 결정된다.

흔히 애플리케이션이라고 부르는 프로그램이 바로 그런 해석가의 일종이다.

타입은 데이터가 어떻게 사용하느냐에 관한 것이다.

숫자형 데이터가 숫자형인 이유는 데이터를 더하거나 빼거나 곱할 수 있기 때문이다.

타입에 속한 데이터를 메모리에 어떻게 표현하는지는 외부로부터 철처하게 감춰진다.

데이터 타입의 표현은 연산을 작업을 수행하기에 가장 효과적인 형태가 선택되며, 개발자는 해당 데이터 타입을 사용하기 위해 단지 데이터 타입에 적용할 수 있는 연산자만 알고 있으면 된다.

데이터 타입은 메모리 안에 저장된 데이터의 종류를 분류하는 데 사용하는 메모리 집합에 관한 메타데이터다. 데이터에 대한 분류는 암시적으로 어떤 종류의 연산이 해당 데이터에 대해 수행될 수 있는지를 결정한다.

객체와 타입

객체를 타입에 따라 분류하고 그 타입에 이름을 붙이는 것은 결국 프로그램에서 사용할 새로운 데이터 타입을 선언하는 것과 같다.

객체는 행위에 따라 변할 수 있는 상태를 가지고 있다는 사실을 기억하라.

그렇다면 객체는 데이터인가? 그렇지 않다.

객체에서 가장 중요한 것은 객체의 행동이다.

상태는 행동의 결과로 초래된 부수효과를 쉽게 표현하기 위해 도입한 추상적인 개념일 뿐이다.

객체를 창조할 때 가장 중요하게 고려해야 하는 것은 객체가 이웃하는 객체와 협력하기 위해 어떤 행동을 해야 할지를 결정하는 것이다.

즉 객체가 협력을 위해 어떤 책임을 지녀야 하는지를 결정하는 것이 객체지향 설계의 핵심이다.

• 어떤 객체가 어떤 타입에 속하는지를 결정하는 것은 객체가 수행하는 행동이다.
• 객체의 내부적인 표현은 외부로부터 철저하게 감춰진다.

인터페이스와 동일하다.

행동이 우선이다

위에서 말한 객체가 어떤 행동을 하느냐에 따라 객체의 타입이 결정된다.

그리고 객체의 타입은 객체의 내부 표현과 아무런 상관이 없다.

따라서 객체의 내부 표현 방식이 다르더라도 어떤 객체들이 동일하게 행동한다면 그 객체들은 동일한 타입에 속한다.

결과적으로 동일한 책임을 수행하는 일련의 객체는 동일한 타입에 속한다고 할 수 있다.

어떤 객체를 다른 객체와 동일한 타입으로 분류하는 기준은 무엇인가?

그 객체가 타입에 속한 다른 객체와 동일한 행동을 하기만 하면 된다. (인터페이스)

결론적으로 객체의 타입을 결정하는 것은 객체의 행동뿐이다. (어떤 데이터를 가지고 있는지는 중요하지 않다.)

타입이 데이터가 아니라 행동에 의해 결정된다는 사실은 객체지향 패러다임을 특징 짓는 중요한 몇 가지 원리와 원칙에 의미를 부여한다.

같은 타입에 속한 객체는 행동만 동일하다면 서로 다른 데이터를 가질 수 있다.

동일한 책임이란 동일한 메시지 수신을 의미한다.

따라서 동일한 타입에 속한 객체는 내부의 데이터 표현 방식이 다르더라도 동일한 메시지를 수신하고 이를 처리할 수 있다.

다만 내부 표현 방식이 다르기 때문에 동일한 메시지를 처리하는 방식은 서로 다를 수밖에 없다.

이것은 다형성에 의미를 부여한다.

이를 통해 행동만을 외부에 노출하고 데이터를 숨김으로써 캡슐화를 이룰 수 있다.

캡슐화는 행동에 따라 분류하기 위해 지켜야 하는 기본적인 원칙으로 데이터가 캡슐의 벽을 뚫고 객체의 인터페이스를 오염시키는 순간 객체의 분류 체계는 급격히 위험에 노출되고 결과적으로 유연하지 못한 설계로 이어진다.

정리하자면 객체가 외부에 제공해야 하는 책임을 먼저 결정하고 그 책임을 수행하는 데 적합한 데이터를 나중에 결정한 후, 데이터를 책임을 수행하는 데 필요한 외부 인터페이스 뒤로 캡슐화해야 한다.

이를 흔히 책임-주도 설계(RDD)라고 한다. (데이터를 먼저 생각하는 DDD의 단점을 개선하고자 나온 개념)

다시 돌아가서 앨리스가 그들을 동일한 타입으로 분류한 이유는 그들이 동일한 방식에 따라 행동했기 때문이다.

객체를 결정하는 것은 행동이다.

데이터는 단지 행동을 따를 뿐이다.

이것이 객체를 객체답게 만드는 가장 핵심적인 원칙이다.

타입의 계층

트럼프 계층

그렇다면 정원사, 병사, 여왕등들은 정말로 트럼프인가?

앨리스는 그들을 정말로 트럼프라고 생각한 적은 없다.

단지 트럼프와 몇 가지 특성을 공유하기 때문에 트럼프라고 불렀을 뿐이다.

더 정확하게 말하면 앨리스는 등장인물들을 트럼프가 아니라 '트럼프 인간'으로 봤던 것이다.

트럼프 인간 타입의 객체는 트럼프 타입의 객체가 할 수 있는 모든 행동을 할 수 있을뿐만 아니라 추가적으로 걸어다니는 행동을 더 할 수 있다.

다시 말하면 트럼프 인간은 트럼프가 할 수 있는 모든 것을 할 수 있지만 트럼프보다 좀 더 특화된 행동을 할 수 있다.

집합이라는 관점에서 보자면 트럼프 인간의 타입의 외연은 트럼프 타입의 외연의 부분 집합으로 볼 수 있다.

이 과점에선 트럼프는 트럼프 인간을 포괄하는 좀 더 일반적인 개념이다.

트럼프 인간은 트럼프보다 좀 더 특화된 행동을 하는 특수한 개념이다.

이 두 개념 사이의 관계를 일반화/특수화 관계라고 한다.

일반화/특수화 관계

트럼프는 트럼프 인간보다 더 일반적인 개념이다.

더 일반적이라는 말은 더 포괄적이라는 의미를 내포하기 때문에 트럼프는 트럼프 인간에 속하는 객체를 포함한다.

일반화는 특수화는 동시에 일어난다. 트럼프 인간은 트럼프를 좀 더 특수하게 표현한 것이다.

더 특수하다는 것은 일반적인 개념보다 범위가 더 좁다는 것을 의미하므로 트럼프 인간에 속하는 객체는 트럼프에 속하는 객체보다 더 적을 수밖에 없다.

여기서 중요한 것은 객체지향에서 일반화/특수화 관계를 결정하는 것은 객체의 상태를 표현하는 데이터가 아니라 행동이라는 것이다.

어떤 객체가 다른 객체보다 더 일반적인 상태를 표현하거나 더 특수한 상태를 표현한다고 해서 두 객체가 속하는 타입 간에 일반화/특수화 관계가 성립하는 것은 아니다.

두 타입 간에 일반화/특수화 관계가 성립하려면 한 타입이 다른 타입보다 더 특수하게 행동해야 하고 반대로 한 타입은 다른 타입보다 더 일반적으로 행동해야 한다.

결국 객체의 일반화/특수화 관계에 있어서도 중요한 것은 객체가 내부에 보관한 데이터가 아니라 개체가 외부에 제공하는 행동이다.

행동의 관점에서 더 일반적인 타입이란 무엇이고 더 특수한 타입이란 무엇인가? 일반적인 타입이란 특수한 타입이 가진 모든 행동들 중에서 일부 행동만을 가지는 타입을 가리킨다.

특수한 타입이란 일반적인 타입이 가진 모든 행동을 포함하지만 거기에 더해 자신만의 행동을 추가하는 타입을 말한다.

앨리스가 트럼프가 트럼프 인간의 일반화인 이유는 트럼프가 가진 모든 행동을 트럼프 인간이 공통적으로 수행할 수 있기 때문이다.

슈퍼타입과 서브타입

일반화/특수화 관계를 좀 더 일반적인 한 타입과 좀 더 특수한 한 타입 간의 관계다. (is-a 관계)

이때 좀 더 일반적인 타입을 슈퍼타입이라고 하고 좀 더 특수한 타입을 서브타입이라고 한다.

강조하지만 슈퍼타입과 서브타입에서 중요한 것은 두 타입 간의 관계가 행동에 의해 결정된다는 점이다.

즉, 어떤 타입이 다른 타입의 서브타입이 되기 위해서는 행위적 호환성을 만족시켜야 한다.

일반적으로 서브타입은 슈퍼타입의 행위와 호환되기 때문에 슈퍼타입을 대체할 수 있어야 한다.

결국 트럼프 인간은 트럼프이므로 행위(납작 엎드리거나 뒤집어지기만 하는 경우)만 만족한다면 대체하더라도 무방하다.

일반화는 추상화를 위한 도구다

추상화의 두 번째 차원인 불필요한 세부사항 제거는 객체지향 패러다임에서 두 번째 차원을 적절하게 활용하는 예로 일반화/특수화 관계를 들 수 있다.

앨리스가 '기껏해야 트럼프에 불과해'라고 말하는 것은 앨리스 머릿속에서 트럼프 인간의 특수한 능력을 제거하고 단순한 종이 조각의 트럼프의 특성에 집중한 것이다.

여기서 두 가지 추상화 기법이 함께 사용됐다는 점에 주목한다.

• 정원에 있던 등장인물들의 차이점을 배제하고 공통점만을 강조함으로써 이들을 공통의 타입인 트럼프 인간으로 분류했다.
• 트럼프 인간을 좀 더 단순한 관점에서 바라보기 위해 불필요한 세부사항을 배제하고 좀 더 포괄적인 의미를 지닌 트럼프로 일반화했다.

정적모델

타입의 목적

왜 타입을 사용해야 하는가? (객체지향이니 객체만 다루면 되는거 아님?)

타입을 사용하는 이유는 인간의 인지 능력으로는 시간에 따라 동적으로 변하는 객체의 복잡성을 극복하기가 너무 어렵기 때문이다.

앨리스의 이야기로 돌아가서 앨리스라고 하는 객체의 상태는 변하지만 앨리스를 다른 객체와 구별할 수 있는 식별성은 동일하게 유지된다.

단지 앨리스가 변경되는 키라는 상태만 가진다고 단순화하면 그만이라는 것

결국 앨리스의 상태를 표현하는 키는 앨리스가 어떤 행동을 하느냐에 따라 100센치가 될 수도, 30센치가 될 수도 있다.

타입은 시간에 따라 동적으로 변하는 앨리스의 상태를 시간과 무관하게 정적인 모습으로 다룰 수 있게 해준다.

그래서 결국 타입은 추상화다

이런 관점에서 타입은 추상화다.

타입 자체도 추상화라고 생각안해봤는데, 다시 생각해보니 맞는 말이다.

어떤 시점에 앨리스에 관해 생각할 때 불필요한 시간이라는 요소와 상태 변화라는 요소를 제거하고 철저하게 정적인 관점에서 앨리스이 모습을 묘사하는 것을 가능하게 해준다. (행동으로 뽑아냈기 때문에)

타입은 추상화다.

타입을 이용하면 객체의 동적인 특성을 추상화할 수 있다.

결국 타입은 시간에 따른 객체의 상태 변경이라는 복잡성을 단순화할 수 있는 효과적인 방법인 것이다.

동적 모델과 정적 모델

지금까지 논의를 통해 객체를 생각할 때 두 가지 모델을 고려한다는 사실을 알 수 있다.

하나는 객체가 특정 시점에 구체적으로 어떤 상태를 가지느냐다. (스냅샷)

다른 하나는 객체가 가질 수 있는 모든 상태와 모든 행동을 시간에 독립적으로 표현하는 것이다. (타입 모델, 정적 모델)

객체지향 애플리케이션을 설계하고 구현하기 위해서는 객체 관점의 동적 모델과 객체를 추상화한 타입 관점의 정적 모델을 적절히 혼용해야 한다.

동적 모델과 정적 모델의 구분은 실제로 프로그래밍이라는 행위와도 관련이 깊다.

객체지향 프로그래밍 언어를 이용해 클래스를 작성하는 시점에는 시스템의 정적인 관점에서 접근하는 것이고 실제 애플리케이션을 실행해 객체의 상태 변경을 추적하고 디버깅하는 동안에는 객체의 동적인 모델을 탐험하고 있는 것이다.

클래스

객체지향 프로그래밍 언어에서 정적인 모델은 클래스를 이용해 구현된다.

따라서 타입을 구현하는 가장 보편적인 방법은 클래스를 이용하는 것이다.

'타입을 구현한다.'

클래스와 타입은 동일한 것이 아니다.

타입은 객체를 분류하기 위해 사용하는 개념이다.

반면 클래스는 단지 타입을 구현할 수 있는 여러 구현 메커니즘 중 하나일 뿐이다.

실제로 자바스크립트와 같은 프로토타입 기반의 언어는 클래스가 존재하지 않는다.

클래스와 타입을 구분하는 것은 설계를 유연하게 유지하기 위한 바탕이 된다.

클래스는 타입의 구현 외에도 코드를 재사용하는 용도로도 사용되기 때문에 클래스와 타입을 동일시하는 것은 수많은 오해와 혼란을 불러일으킨다.

지금은 객체를 분류하는 기준은 타입이며, 타입을 나누는 기준은 객체가 수행하는 행동이라는 사실이다.

결국 객체지향에서 중요한 것은 동적으로 변하는 객체의 '상태'와 상태를 변경하는 '행위'다.

클래스는 타입을 구현하기 위해 프로그래밍 언어에서 제공하는 구현 메커니즘이라는 사실을 기억하라.

느낀점

저자가 읽는 사람이 가지고 있는 객체지향에 오해를 깨기 위해 많은 노력을 한 것 같다고 느낀 챕터였다. (실제로 도움이 되었다.)

추상화개념에 대한 이해도 더 생긴 것 같다고 느낀 부분은 2가지 차원을 통해서 시간을 제외하여 행위만 봤을 때 좀 더 단순화하여 바라볼 수 있다는 점을 실제 코드로 옮겨봤을 때 확실히 느낄 수 있었다.

논의사항

• 읽었을 때 가장 새롭다고 느낀 부분이 어딘가요?