Item 33. Type Safe Heterogeneous Container

타입 안전 이종 컨테이너를 고려하라

제네릭은 Set, Map 같은 컬렉션과 ThreadLocal, AtomicReference 같은 단일 원소 컨테이너에도 자주 사용된다. 보통은 하나(Set) 혹은 두 개(Map)의 타입 매개변수가 사용되지만, 때로는 세 개 이상의 임의 개수가 필요한 경우가 있다.

타입 안전 이종 컨테이너(type safe heterogeneous container)

타입 안전 이종 컨테이너 패턴을 이용하여 임의 타입의 원소를 저장하고 검색할 수 있는 컨테이너를 만들 수 있다. 컨테이너 대신 키를 매개변수화한 뒤, 컨테이너에 값을 넣거나 뺄 때 매개변수화한 키를 함께 제공하는 방식으로 이렇게 하면 제네릭 타입 시스템이 값의 타입이 키와 같음을 보장하게 된다.

각 타입의 Class 객체를 매개변수화한 키 역할로 사용할 수 있는데, 이 방식이 동작하는 이유는 class의 클래스가 제네릭이기 때문이다. 예시로 아래의 Favorites라는 클래스를 보자.

class Favorites {

    private final Map<Class<?>, Object> favorites = new HashMap<>();

    // 클래스의 리터럴 타입은 Class가 아닌 Class<T>로 표현할 수 있다.(= 타입 토큰)
    public <T> void putFavorite(Class<T> type, T instance) {
        // Class 객체와 인스턴스를 매핑하여 저장, 키와 값 사이의 타입 관계가 소멸되지만 논리적으로는 보장된다.
        favorites.put(Objects.requireNonNull(type), instance);
    }

    public <T> T getFavorite(Class<T> type) {
        // favorites.get(type)로 Class 객체를 통해 인스턴스를 가져온 뒤, 타입 캐스팅하여 반환
        // * cast 메서드: 형변환 연산자의 동적 버전으로, 타입의 인스턴스인지 확인한 뒤 인스턴스를 T 타입으로 반환(실패 시 ClassCastException 발생)
        return type.cast(favorites.get(type));
    }
}

class Main {

    public static void main(String[] args) {
        Favorites f = new Favorites();
        f.putFavorite(String.class, "Java"); // String 클래스 타입 -> Class<String>
        f.putFavorite(Integer.class, 0xeee); // Integer 클래스 타입 -> Class<Integer>
        f.putFavorite(Class.class, Favorites.class); // Class 클래스 타입 -> Class<Class>
        String favoriteString = f.getFavorite(String.class);
        int favoriteInteger = f.getFavorite(Integer.class);
        Class<?> favoriteClass = f.getFavorite(Class.class);
        System.out.printf("%s %x %s", favoriteString, favoriteInteger, favoriteClass.getName());
    }
}

Favorite에서 Map<Class<?>, Object>를 사용하고 있으며, 그 특징은 다음과 같다.

Key(Class<?>): 클래스 리터럴로, 특정 클래스로 제한하지 않고, 모든 클래스를 허용한다.
Value(Object): 클래스의 인스턴스이며, Object로 제한하지 않고, 모든 클래스를 허용한다.
Value가 단순 Object이기 때문에 키와 값 사이에 타입 관계를 보증하지 않지만, 논리적으로는 키와 값의 타입 관계가 보장된다.

?(비한정적 와일드카드 타입)가 존재하여 이라 아무것도 넣을 수 없는 것처럼 보이지만, 와일드카드 타입이 중첩(nested)되어 있기 때문에 맵이 아니라 키가 와일드카드 타입이므로 Class<?>는 모든 클래스를 허용하는 타입이 된다.

타입 안전 이종 컨테이너의 제약 사항

타입 안전 이종 컨테이너 패턴은 임의 타입의 원소를 저장하고 검색할 수 있지만, 제약 사항이 존재한다.

1. 악의적인 클라이언트

악의적으로 Class 객체를 제네릭이 아닌 타입으로 넘기면 문제가 발생할 수 있다.(컴파일 시 비검사 경고 발생)

class Main {

    public static void main(String[] args) {
        Favorites f = new Favorites();
        f.putFavorite((Class) Integer.class, "Java"); // 강제로 Class<Integer>를 Class로 형변환하여 넘김
        int favoriteInteger = f.getFavorite(Integer.class); // ClassCastException 발생
    }
}

2. 실체화 불가 타입 사용 불가

String / String[] 에는 적용 가능하나 List<String> 같은 실체화 불가 타입은 Class 객체를 얻을 수 없어 문법 오류가 난다. List.class가 허용된다면, List<Integer>와 List<String>이 같은 Class 객체를 공유하게 되어 구분할 수 없게 되기 때문이다. (슈퍼 타입 토큰이라는 방법으로 우회 가능 하나 한계가 존재한다.)

한정적 타입 토큰(bounded type token)

위에서 구현한 Favorites 클래스는 비한정적 와일드카드 타입을 사용하고 있기 때문에 모든 클래스를 허용한다. 특정 클래스만 허용하고 싶다면 한정적 타입 토큰을 사용하면 된다.(어노테이션 API에서 한정적 타입 토큰을 사용하고 있다.)

public interface AnnotatedElement {
    <T extends Annotation> T getAnnotation(Class<T> annotationClass);
}

<T extends Annotation>로 선언하여 어노테이션 타입만 허용하여 사용하고 있다. 이 메서드를 그대로 사용하면 ? extends Annotation으로 형변환하게 되어 비검사 형변환을 하게 되므로 컴파일 경고가 발생한다. 다른 메서드를 추가적으로 사용하면서 한정적 타입 토큰을 안전하게 사용하는 방법은 다음과 같다.

class Example {

    static Annotation getAnnotation(AnnotatedElement element, String annotationTypeName) {
        Class<?> annotationType = null; // 비 한정적 타입 토큰
        try {
            annotationType = Class.forName(annotationTypeName); // 호출된 인스턴스 자신의 Class 객체를 명시한 클래스로 형변환
        } catch (Exception ex) {
            throw new IllegalArgumentException(ex); // 예외 발생 시 실패
        }

        return element.getAnnotation(annotationType.asSubclass(Annotation.class));
    }
}

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