[OOP] 추상화(상속, 다형성, 추상 타입)와 재사용

본문은 “개발자가 반드시 정복해야 할 객체 지향과 디자인 패턴”(최범균 저)을 읽고 정리한 내용입니다.

이전 글에서 다뤘던 캡슐화란, 내부 구현의 유연함을 달성하는 방법이었다.

캡슐화에 대한 내용은 [링크]에서 확인 가능하다!

이번 글에서는 외부 구현의 유연함을 달성하는 방법인 추상화를 다뤄보자!

▼ 객체지향에서 구현 변경의 유연함을 달성하는 방법

캡슐화	내부 구현에 대한 유연함 달성
추상화	외부 구현에 대한 유연함 달성

이때, 다형성을 통해 추상화가 가능하며, 다형성의 구현은 타입 상속을 통해 이루어진다.

이를 다이어그램으로 나타내면 다음과 같다. 개념 하나하나를 짚으며 이해해보자!

%%{init: {'theme':'neutral'}}%%
flowchart LR
    subgraph 유연함을 제공하는 방법
    A{{유연함<br>Flexibility}} -- 내부 구현에 대해 --> B[캡슐화<br>Encapsulation]
    A -- 외부 구현에 대해 --> C[추상화<br>Abstraction]
    end
    C --> D[다형성<br>Polymorphism]
    D --> E[상속<br>Inheritance]

1. 상속 (Inheritance)

상속은 한 타입을 그대로 사용하면서 구현을 추가할 수 있도록 해주는 방법을 제공해준다. 예를 들어 기본적인 기능을 제공하고 있는 Coupon 클래스에 새로운 기능을 추가하고 싶다면, Coupon 클래스를 상속 받아 LimitPriceCoupon 클래스를 생성할 수 있는 것이다. 이때 Coupon 클래스는 상위(super) 클래스 또는 부모(parent) 클래스가 되고, LimitPriceCoupon 클래스는 하위(sub) 클래스 또는 자식(child) 클래스가 된다.

상속의 특징은 다음과 같다.

1. 자식 클래스는 부모 클래스에 정의된 구현을 물려받는다.

   다수의 언어에서는 private 범위를 갖는 메서드나 필드를 제외한 나머지를 물려받을 수 있도록 한다.

2. 하위 클래스에서는 필요에 따라 재정의(overriding)를 통해 상위 클래스에 정의된 메서드를 새롭게 구현할 수도 있다.

2. 다형성 (Polymorphism)

다형성이란 한 객체가 여러 타입을 가질 수 있다는 것을 뜻한다. 즉, 어떤 객체가 타입 A, 타입 B, 타입 C에 정의된 인터페이스의 구현을 제공한다면, 다른 코드에서는 이 객체를 타입 A로도, 타입 B로도, 타입 C로도 사용할 수 있는 것이다.

자바와 같은 정적 타입 언어에서는 타입 상속을 통해서 다형성을 구현하는데, 다음의 예시 코드를 살펴보면 다음과 같다.

public class Plane {
    public void fly() {
        ...
    }
}

public interface Turbo {
    public void boost();
}

public class TurboPlane extends Plane implements Turbo {
    public void boost() {
        ...
    }
}

1. TurboPlane 타입의 객체는 Plane 타입과 Turbo 타입에 정의된 모든 기능을 제공한다.
2. TurboPlane 타입의 객체는 Plane 타입이나 Turbo 타입도 될 수 있다.

반면, 동적 타입 언어에서는 명시적으로 타입을 지정하지 않아도 타입에서 요구하는 오퍼레이션을 제공할 수 있기 때문에, 타입 상속 없이도 다형성을 구현할 수 있다.

2-1. 타입 상속의 두 가지 종류: 인터페이스 상속, 구현 상속

%%{init: {'theme':'neutral'}}%%
graph LR
	A(타입 상속) --> B[인터페이스 상속]
	A --> C[구현 상속]
	B --> D{{다형성 구현}}
	C --> D
	C --> E{{구현 재사용}}

Java, C++, C# 등의 언어는 다형성을 구현하기 위해 타입 상속을 이용하며, 타입 상속은 크게 인터페이스 상속과 구현 상속으로 구분할 수 있다.

• 인터페이스 상속: 순전히 타입 정의만을 상속받아 다형성만을 구현한다. (ex. 인터페이스, 추상 클래스)
• 구현 상속: 클래스 상속을 통해 다형성을 구현할 수 있을 뿐만 아니라 구현을 재사용할 수도 있다. (재정의 가능)

3. 추상화 (Abstraction)

추상화란 데이터나 프로세스 등을 의미가 비슷한 개념이나 표현으로 정의하는 과정이다. 추상화는 기능 뿐만 아니라 타입에도 적용할 수 있는데, 이러한 경우에는 여러 구현 클래스를 추상화함으로써 인터페이스를 도출할 수 있게 된다. 이렇게 추상화된 타입은 오퍼레이션의 시그니처만 정의할 뿐, 실제 구현을 제공하지는 못한다. 따라서 일반적으로 구현을 제공하지 않는 타입(ex. Java의 인터페이스, C++의 추상 메서드로만 구성된 추상 클래스)을 이용하여 정의한다.

추상 타입과 실제 구현 클래스는 상속을 통해 연결한다. 즉, 구현 클래스가 추상 타입을 상속 받는 방법으로 연결하며, 이때 각 구현 클래스들은 실제 구현을 제공한다는 의미에서 콘크리트 클래스(concrete class)라고 부른다.

이렇게 하면 다음과 같이 추상 타입을 이용해서 코드를 작성할 수 있다.

LogCollector collector = createLogCollector();
collector.collect();

3-1. 추상 타입을 사용하는 이유

콘크리트 클래스를 직접 사용해도 문제가 없는데, 추상 타입을 사용하는 이유는 무엇일까?

우선, 추상화로 얻을 수 있는 이점은 다음과 같다.

1. 상세 구현에 대해 공통된 개념을 도출해서 추상 타입을 정의하면, 여러 콘크리트 클래스를 통해 다형성을 이용할 수 있다.
2. 많은 책임을 가진 객체로부터 책임을 분리할 수 있도록 해준다.

이러한 점을 통해 추상 타입을 사용하는 코드에 영향을 주지 않으면서, 추상 타입의 실제 구현(콘크리트 클래스)을 변경할 수 있기 때문에 추상 타입을 사용하는 것이다.

추상 타입을 통해 변경의 유연함을 얻을 수 있다!

3-2. 인터페이스를 사용할 때 유의할 점

1. 인터페이스에 대고 프로그래밍 하자. (program to interface)

   실제 구현을 제공하는 콘크리트 클래스를 사용해서 프로그래밍하지 말고, 기능을 정의한 인터페이스를 사용해서 프로그래밍하라는 뜻이다. 즉, 추상화를 통해 유연함을 얻기 위한 것이다.

   하지만 인터페이스를 모든 곳에서 사용하면 프로그램의 복잡도가 커지기 때문에, 변화 가능성이 높은 경우에 한해서 사용해야 한다.

2. 인터페이스는 인터페이스의 사용자 입장에서 만들자.

   인터페이스를 작성할 때는 인터페이스를 사용하는 코드 입장에서 작성해야 한다.

3. 테스트 시, 사용할 대상을 인터페이스로 추상화하면 좀 더 쉽게 Mock 객체를 만들 수 있다.

   이처럼 테스트를 할 수 없게 만드는 부분을 별도의 인터페이스로 분리하게 되면, Mock 객체를 통해 실제 사용할 콘크리트 클래스의 구현 없이 테스트할 수 있다.

   이렇게 분리되는 인터페이스는 테스트 대상이 되는 클래스와 구분되는 책임을 가지게 되는 경우가 많으며, 이는 곧 새로운 책임을 갖는 객체를 도출하게 된다는 것을 의미한다. 즉, TDD는 테스트를 강제함으로써 알맞은 책임을 가진 객체를 도출하도록 유도하는 것이고, 결국 객체지향 설계를 유도하는 방식이 된다.

4. 재사용 (Reuse)

상속을 사용하면 재사용을 쉽게 할 수 있기는 하나, 몇 가지 문제점이 발생할 수 있다. 그 문제점이 무엇인지, 그리고 다른 재사용 방법인 객체 조립을 통해 그 문제점을 해소하는 방법에 대해 알아보자!

%%{init: {'theme':'neutral'}}%%
graph LR
	A(재사용) --> B[상속]
	A --> C[객체 조립]

4-1. 상속을 이용한 재사용의 문제점

상속을 사용하면 쉽게 다른 클래스의 기능을 재사용하면서 추가 기능을 확장할 수 있다. 하지만 변경의 유연함이라는 측면에서 치명적인 단점을 가지고 있다.

1. 상위 클래스 변경의 어려움

   어떤 클래스를 상속받는다는 것은 그 클래스에 의존한다는 뜻이다. 따라서 상위 클래스를 변경하면 그 여파가 하위 클래스로 전파되게 되므로, 클래스 계층도가 커질수록 상위 클래스를 변경하는 것이 어려워진다.

2. 클래스의 불필요한 증가

   유사한 기능을 확장하는 과정에서 클래스의 개수가 불필요하게 증가할 수 있다. 필요한 기능의 조합이 증가할수록, 상속을 통해 기능 재사용을 하게 되면 클래스의 개수가 증가하게 된다.

3. 상속의 오용

   상속은 IS-A 관계가 성립할 때에만 사용해야 한다. IS-A 관계가 아닌 경우에 상속을 사용하면, 서로 다른 책임을 가지는 관계이므로 원하는 방식으로 동작하지 않을 수 있다.

   IS-A 관계란, “~은 ~이다”가 성립하는 관계로, 일반적인 개념과 구체적인 개념 사이에 성립한다.

4-2. 객체 조립을 이용한 재사용의 장점

객체지향 언어에서 객체 조립은 보통 필드에서 다른 객체를 참조하는 방식으로 구현된다. 즉, 다른 객체의 기능을 사용하는 것이다. 이처럼 다른 객체에게 할 일을 넘기는 것을 위임(delegation)이라 한다.

1. 상속을 이용할 때 발생하는 문제점 해결

   1. 다른 클래스의 구현에 의존하지 않으므로, 상위 클래스 변경이 어려워지는 문제가 발생하지 않는다.
   2. 기능을 제공하는 클래스들을 조립해서 사용하므로, 기능을 추가한다고 하더라도 하위 클래스의 개수가 늘어나지 않는다.
   3. 상속을 잘못 사용해서 발생할 수 있는 문제도 발생하지 않는다.

2. 런타임에 조립 대상 객체 교체 가능

   상속의 경우 소스코드 작성 시점에 관계가 형성되므로 런타임에 상위 클래스를 교체할 수 없으나, 조립의 경우 코드 상에서 런타임에 사용할 객체를 변경할 수 있다.

객체 조립을 사용한다면 상대적으로 런타임 구조가 복잡해지고 구현이 어렵다는 단점이 존재하기는 하지만, 변경의 유연함을 확보하는 데에서 오는 장점이 더 크기 때문에 기능을 재사용해야 한다면 상속보다는 조립하는 방법을 먼저 고려하자.

4-3. 상속은 언제 사용할까?

상속은 재사용이라는 관점이 아닌, 명확한 IS-A 관계에서 기능을 점진적으로 확장할 때 사용해야 한다.

하지만 처음에는 명확한 IS-A로 보여서 상속을 통해 기능을 확장했더라도 이후에 상속의 문제점들이 발견된다면, 객체 조립으로 전환하는 것을 고려해야 한다.