[Effective Java]20.추상 클래스보다는 인터페이스를 우선하라

자바가 제공하는 다중 구현 메커니즘은 인터페이스와 추상 클래스, 이렇게 두 가지이다.

자바 8부터 인터페이스도 디폴트 메소드를 제공할 수 있게 되어 이제는 두 메커니즘 모두 인스턴스 메서드를 구현 형태로 제공할 수 있다.

한편 둘의 큰 차이는 추상 클래스가 정의한 타입을 구현하는 클래스는 반드시 추상 클래스의 하위 클래스가 되어야 한다는 점이다.

자바는 단일 상속만 지원하니, 추상 클래스 방식은 새로운 타입을 정의하는 데 커다란 제약을 안게 되는 셈이다.

반면 인터페이스가 선언한 메서드를 모두 정의하고 그 일반 규약을 잘 지킨 클래스라면 다른 어떤 클래스를 상속했든 같은 타입으로 취급된다.

 

기존 클래스에도 손쉽게 새로운 인터페이스를 구현해 넣을 수 있다.

인터페이스가 요구하는 메서드를 (아직 없다면) 추가하고, 클래스 선언에 implements 구문만 추가하면 끝이다.

자바 플랫폼에서도 Comparable, Iterable, AutoCloseable 인터페이스가 새로 추가됐을 때 표준 라이브러리의 수많은 기존 클래스가 이 인터페이스들을 구현한 채 릴리스 됐다.

반면 기존 클래스 위에 새로운 추상 클래스를 끼워넣기는 어려운 게 일반적이다.

두 클래스가 같은 추상 클래스를 확장하길 원한다면, 그 추상 클래스는 계층구조상 두 클래스의 공통 조상이어야 한다.

안타깝게도 이 방식은 클래스 계층구조에 커다란 혼란을 일으킨다.

새로 추가된 추상 클래스의 모든 자손이 이를 상속하게 되는 것이다.

그렇게 하는 것이 적절하지 않은 상황에서도 강제로 말이다.

 

인터페이스는 믹스인(mixin) 정의에 안성맞춤이다.

믹스인이란 클래스가 구현할 수 있는 타입으로, 믹스인을 구현한 클래스에 원래의 '주된 타입' 외에도 특정 선택적 행위를 제공한다고 선언하는 효과를 준다.

예컨대 Comparable은 자신을 구현한 클래스의 인스턴스들끼리는 순서를 정할 수 있다고 선언하는 믹스인 인터페이스이다.

이처럼 대상 타입의 주된 기능에 선택적 기능을 '혼합(mixed in)'한다고 해서 믹스인이라 부른다.

추상 클래스로는 믹스인을 정의할 수 없다.

이유는 앞서와 같이, 기존 클래스에 덧씌울 수 없기 때문이다.

클래스는 두 부모를 섬길 수 없고, 클래스는 계층구조에는 믹스인을 삽입하기에 합리적인 위치가 없기 때문이다.

 

인터페이스로는 계층구조가 없는 타입 프레임워크를 만들 수 있다.

타입을 계층적으로 정의하면 수많은 개념을 구조적으로 잘 표현할 수 있지만 현실에는 계층을 엄격히 구분하기 어려운 개념도 있다.

예를 들어 가수 인터페이스와 작곡가 인터페이스가 있다고 해보자.

public interface Singer {
    AudioClip sing(Song s);
}
public interface Songwriter {
    Song compose(int chartPosition);
}

 

우리 주변엔 작곡도 하는 가수가 제법 있다.

이 코드처럼 타입을 인터페이스로 정의하면 가수 클래스가 Singer와 Songwriter 모두를 구현해도 전혀 문제가 되지 않는다.

심지어 Singer와 Songwriter 모두를 확장하고 새로운 메서드까지 추가한 제 3의 인터페이스를 정의할 수도 있다.

public interface SingerSongwriter extends Singer, Songwriter {
    AudioClip strumO;
    void actSensitiveO;
}

 

이 정도의 유연성이 항상 필요하지는 않지만, 이렇게 만들어둔 인터페이스가 결정적인 도움을 줄 수도 있다.

같은 구조를 클래스로 만들려면 가능한 조합 전부를 각각의 클래스로 정의한 고도비만 계층구조가 만들어질 것이다.

속성이 n개라면 지원해야 할 조합의 수는 2^n개나 된다.

흔히 조합 폭발이라 부르는 현상이다.

거대한 클래스 계층구조에는 공통 기능을 정의해놓은 타입이 없으니, 자칫 매개변수 타입만 다른 메서드들을 수없이 많이 가진 거대한 클래스를 낳을 수 있다.

 

래퍼 클래스 관용구(아이템 18)와 함께 사용하면 인터페이스는 기능을 향상시키는 안전하고 강력한 수단이 된다.

타입을 추상 클래스로 정의해두면 그 타입에 기능을 추가하는 방법은 상속뿐이다.

상속해서 만든 클래스는 래퍼 클래스보다 활용도가 떨어지고 깨지기는 더 쉽다.

 

인터페이스의 메서드 중 구현 방법이 명백한 것이 있다면, 그 구현을 디폴트 메서드로 제공해 프로그래머들의 일감을 덜어줄 수 있다. 이 기법의 예는 코드 21-1의 removeIf 메서드를 보면 된다.

디폴트 메서드를 제공할 때는 상속하려는 사람을 위한 설명을 @implSpec 자바독 태그를 붙여 문서화해야 한다.(아이템 19)

디폴트 메서드에도 제약은 있다.

많은 인터페이스가 equals와 hashCode 같은 Object의 메서드를 정의하고 있지만, 이들은 디폴트 메서드로 제공해서는 안 된다.

또한 인터페이스는 인스턴스 필드를 가질 수 없고 public이 아닌 정적 멤버도 가질 수 없다.(단 private 정적 메서드는 예외다)

마지막으로 우리가 만들지 않은 인터페이스에는 디폴트 메서드를 추가할 수 없다.

 

한편, 인터페이스와 추상 골격 구현(skeletal implementation) 클래스를 함께 제공하는 식으로 인터페이스와 추상 클래스의 장점을 모두 취하는 방법도 있다.

인터페이스로는 타입을 정의하고 필요하면 디폴트 메서드 몇 개도 함께 제공한다.

그리고 골격 구현 클래스는 나머지 메서드들까지 구현한다.

이렇게 해두면 단순히 골격 구현을 확장하는 것만으로 이 인터페이스를 구현하는 데 필요한 일이 대부분 완료된다.

바로 템플릿 메서드 패턴이다.

 

관례상 인터페이스 이름이 Interface라면 그 골격 구현 클래스의 이름은 AbstractInterface로 짓는다.

좋은 예로, 컬렉션 프레임워크의 AbstractCollection, AbstractSet, AbstractList, AbstractMap 각각이 바로 핵심 컬렉션 인터페이스의 골격 구현이다.

어쩌면 SkeltalCollection, SkeletalSet, SkeletalList, SkeletalMap 형태가 더 적절했을지도 모르지만, 이미 Abstract를 접두어로 쓰는 형태가 확고히 자리잡았다.

제대로 설계했다면 골격 구현은 (독립된 추상 클래스든 디폴트 메서드로 이뤄진 인터페이스든) 그 인터페이스로 나름의 구현을 만들려는 프로그래머의 일을 상당히 덜어준다.

예를 보자. 다음 코드는 완벽히 동작하는 List 구현체를 반환하는 정적 팩터리 메서드로, AbstractList 골격 구현으로 활용했다.

 

// 코드 20-1 골격 구현을 사용해 완성한 구체 클래스 (133쪽)
public class IntArrays {
    static List<Integer> intArrayAsList(int[] a) {
        Objects.requireNonNull(a);

        // 다이아몬드 연산자를 이렇게 사용하는 건 자바 9부터 가능하다.
        // 더 낮은 버전을 사용한다면 <Integer>로 수정하자.
        return new AbstractList<>() {
            @Override public Integer get(int i) {
                return a[i];  // 오토박싱(아이템 6)
            }

            @Override public Integer set(int i, Integer val) {
                int oldVal = a[i];
                a[i] = val;     // 오토언박싱
                return oldVal;  // 오토박싱
            }

            @Override public int size() {
                return a.length;
            }
        };
    }

    public static void main(String[] args) {
        int[] a = new int[10];
        for (int i = 0; i < a.length; i++)
            a[i] = i;

        List<Integer> list = intArrayAsList(a);
        Collections.shuffle(list);
        System.out.println(list);
    }
}

 

List 구현체가 우리에게 제공하는 기능들을 생각하면, 이 코드는 골격 구현의 힘을 잘 보여주는 인상적인 예라 할 수 있다.

그건 그렇고, 이 예는 int 배열을 받아 Integer 인스턴스의 리스트 형태로 보여주는 어댑터이기도 하다.

int 값과 Integer 인스턴스 사이의 변환(박싱과 언박싱) 때문에 성능은 그리 좋지 않다.

또한 이 구현에서 익명 클래스(아이템 24) 형태를 사용했음에 주목하자.

 

골격 구현 클래스의 아름다움은 추상 클래스처럼 구현을 도와주는 동시에, 추상 클래스로 타입을 정의할 때 따라오는 심각한 제약에서는 자유롭다는 점에 있다.

 

골격 구현을 확장하는 것으로 인터페이스 구현이 거의 끝나지만, 꼭 이렇게 해야 하는 것은 아니다.

구조상 골격 구현을 확장하지 못하는 처지라면 인터페이스를 직접 구현해야 한다.

이런 경우라도 인터페이스가 직접 제공하는 디폴트 메서드의 이점을 여전히 누릴 수 있다.

또한, 골격 구현 클래스를 우회적으로 이용할 수도 있다.

인터페이스를 구현한 클래스에서 해당 골격 구현을 확장한 private 내부 클래스를 정의하고, 각 메서드 호출을 내부 클래스의 인스턴스에 전달하는 것이다.

아이템 18에서 다룬 래퍼 클래스와 비슷한 이 방식을 시뮬레이트한 다중 상속이라 하며, 다중 상속의 많은 장점을 제공하는 동시에 단점은 피하게 해준다.

 

골격 구현 작성은 (조금 지루하지만) 상대적으로 쉽다.

가장 먼저, 인터페이스를 잘 살펴 다른 메서드들의 구현에 사용되는 기반 메서드들을 선정한다.

이 기반 메서드들은 골격 구현에서는 추상 메서드가 될 것이다.

그다음으로, 기반 메서드들을 사용해 직접 구현할 수 있는 메서드를 모두 디폴트 메서드로 제공한다.

단, equals와 hashCode 같은 Object 메서드는 디폴트 메서드로 제공하면 안 된다는 사실을 항상 유념하자.

만약 인터페이스의 메서드 모두가 기반 메서드와 디폴트 메서드가 된다면 골격 구현 클래스를 별도로 만들 이유는 없다.

기반 메서드나 디폴트 메서드로 만들지 못한 메서드가 남아 있다면, 이 인터페이스를 구현하는 골격 구현 클래스를 하나 만들어 남은 메서드들을 작성해 넣는다.

골격 구현 클래스에는 필요하면 public이 아닌 필드와 메서드를 추가해도 된다.

 

간단한 예로 Map.Entry 인터페이스를 살펴보자.

getKey, getValue는 확실히 기반 메서드이며, 선택적으로 setValue도 포함할 수 있다.

이 인터페이스는 equals와 hashCode의 동작 방식도 정의해놨다.

Object 메서드들은 디폴트 메서드로 제공해서는 안 되므로, 해당 메서드들은 모두 골격 구현 클래스에 구현한다.

toString도 기반 메서드를 사용해 구현해놨다.

 

// 코드 20-2 골격 구현 클래스 (134-135쪽)
public abstract class AbstractMapEntry<K,V>
        implements Map.Entry<K,V> {
    // 변경 가능한 엔트리는 이 메서드를 반드시 재정의해야 한다.
    @Override public V setValue(V value) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }
    
    // Map.Entry.equals의 일반 규약을 구현한다.
    @Override public boolean equals(Object o) {
        if (o == this)
            return true;
        if (!(o instanceof Map.Entry))
            return false;
        Map.Entry<?,?> e = (Map.Entry) o;
        return Objects.equals(e.getKey(),   getKey())
                && Objects.equals(e.getValue(), getValue());
    }

    // Map.Entry.hashCode의 일반 규약을 구현한다.
    @Override public int hashCode() {
        return Objects.hashCode(getKey())
                ^ Objects.hashCode(getValue());
    }

    @Override public String toString() {
        return getKey() + "=" + getValue();
    }
}

 

 Map.Entry 인터페이스나 그 하위 인터페이스로는 이 골격 구현을 제공할 수 없다.

디폴트 메서드는 equals, hashCode, toString 같은 Object 메서드를 재정의할 수 없기 때문이다.

 

골격 구현은 기본적으로 상속해서 사용하는 걸 가정하므로 아이템 19에서 이야기한 설계 및 문서화 지침을 모두 따라야 한다.

간략히 보여주기 위해 앞의 코드에서는 문서화 주석을 생략했지만, 인터페이스에 정의한 디폴트 메서드든 별도의 추상 클래스든, 골격 구현은 반드시 그 동작 방식을 잘 정리해 문서로 남겨야한다.

 

단순 구현은 골격 구현의 작은 변종으로, AbstractMap.SimpleEntry가 좋은 예다.

단순 구현도 골격 구현과 같이 상속을 위해 인터페이스를 구현한 것이지만, 추상 클래스가 아니란 점이 다르다.

쉽게 말해 동작하는 가장 단순한 구현이다.

이러한 단순 구현은 그대로 써도 되고 필요에 맞게 확장해도 된다.

 

핵심 정리

일반적으로 다중 구현용 타입으로는 인터페이스가 가장 적합하다.

복잡한 인터페이스라면 구현하는 수고를 덜어주는 골격 구현을 함께 제공하는 방법을 꼭 고려해보자.

골격 구현은 '가능한 한' 인터페이스의 디폴트 메서드로 제공하여 그 인터페이스를 구현한 모든 곳에서 활용하도록 하는 것이 좋다.

'가능한 한'이라고 한 이유는, 인터페이스에 걸려 있는 구현상의 제약 때문에 골격 구현을 추상 클래스로 제공하는 경우가 더 흔하기 때문이다.