[객체지향의 사실과 오해] 3장. 타입과 추상화

객체지향의 사실과 오해

추상화를 통한 복잡성 극복

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

• 추상화는 복잡한 현실을 단순화하기 위해 사용하는 인간의 가장 기본적인 인지 수단

추상화란?

• 어떤 양상, 세부 사항, 구조를 좀 더 명확하게 이해하기 위해 특정 절차나 물체를 의도적으로 생략하거나 감춤으로써 복잡도를 극복하는 방법

 

복잡도를 다루기 위한 추상화의 두 가지 차원

1. 첫 번째 차원: 구체적인 사물들 간의 공통점은 취하고 차이점은 버리는 일반화를 통해 단순하게 만드는 것
2. 두 번째 차원: 중요한 부분을 강조하기 위해 불필요한 세부 사항을 제거함으로써 단순하게 만드는 것

모든 경우에 추상화의 목적은 복잡성을 이해하기 쉬운 수준으로 단순화하는 것!

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객체지향과 추상화

아름다운 정원에 들어선 앨리스는 정원 입구에서 커다란 장미 나무에 피어 있는 하얀 장미꽃을 붉게 칠하고 있는 세 명의 정원사들과 마주쳤다. 정원사들은 트럼프처럼 생겼고 몸에는 스페이드 무늬가 그려져 있었다. 앨리스는 정원사들에게 다가가 하얀 장미꽃을 붉게 칠하고 있는 이유를 물었다. 정원사들은 불안에 떨며 빨간색 장미 나무 대신 하얀색 장미 나무를 잘못 심었기 때문에 들킬 경우 여왕이 자신들의 목을 자를 게 뻔하기 때문이라고 대답했다.

그때 하트 여왕의 행렬이 정원에 들어섰다. 동시에 세 명의 정원사는 땅바닥에 얼굴이 닿을 정도로 납작 엎드렸다. 행렬의 맨 앞에서 클로버를 든 열 명의 병사들이 행진해 들어왔다. 그들은 정원사들처럼 몸이 납작했고 네모난 몸 모서리에 팔다리가 달려 있었다. 그 뒤로 온몸을 반짝거리는 다이아몬드로 치장한 신하들이 열을 지어 들어왔다. 열 명의 왕자와 공주들이 두 명씩 손을 잡고 깡총거리며 즐겁게 따라 들어온 후 그 뒤로 손님들이 열을 지어 걸어왔는데 대부분은 왕들과 왕비들이었지만 그 속에는 하얀 토끼도 섞여 있었다. 손님들 뒤로 왕관을 얹은 빨간 비단 방석을 든 하트 잭이 걸어 왔다. 그리고 행렬의 마지막에 이르러 마침내 하트 왕과 하트 여왕이 그 모습을 드러냈다.

앨리스는 여왕을 쳐다보며 마음속으로 이렇게 속삭였다.

'기껏해야 트럼프에 불과해. 무서워할 필요 없어.'

앨리스, 3명의 정원사, 클로버 병사들, 신하들, 공주와 왕자, 왕, 왕비, 하얀 토끼, 하트 왕, 하트 여왕 모두가 객체이다.

등장하는 객체는 제각기 독특한 모습과 독특한 행동 양식을 지니고 있지만 앨리스는 각 객체들의 차이점은 과감하게 무시한 채 공통점만을 취해 '트럼프'라는 하나의 개념으로 단순화했다.

 

그룹으로 나누어 단순화하기

객체지향 패러다임에서의 객체

• 명확한 경계를 가지고 서로 구별할 수 있는 구체적인 사람이나 사물

 

트럼프와 토끼

트럼프 그룹과 토끼 그룹

개념

정의

• 공통점을 기반으로 객체들을 묶기 위한 그릇
• 일반적으로 인식하고 있는 다양한 사물이나 객체에 적용할 수 있는 아이디어나 관념

분류

• 위의 그림처럼 앨리스가 정원에 존재하는 객체를 '트럼프'와 '토끼'라는 두 개의 개념으로 나눔
• 두 개념에 적합한 객체가 각 그룹에 포함되도록 분류

개념은 공통점을 기반으로 객체를 분류할 수 있는 일종의 체

 

객체란 특정한 개념을 적용할 수 있는 구체적인 사물을 의미한다.
개념이 객체에 적용됐을 때 객체를 개념의 인스턴스라고 한다.

 

개념의 세 가지 관점

심볼(symbol)

• 개념을 가리키는 간략한 이름이나 명칭
• 앨리스 이야기에서 '트럼프'라는 이름

내연(intension)

• 개념의 완전한 정의를 나타내며 내연의 의미를 이용해 객체가 개념에 속하는지 여부를 확인
• 앨리스 이야기에서 몸이 납작하고 두 손과 두 발이 네모난 몸 모서리에 달려 있다는 트럼프에 대한 설명
• 내연은 개념을 객체에 적용할 수 있는지 여부를 판단하기 위한 조건
  • 하얀 토끼는 트럼프의 내연을 만족 X → 트럼프가 될 수 없음

외연(extension)

• 개념에 속하는 모든 객체의 집합(set).
• 앨리스 이야기에서 정원사, 병사, 신하, 왕자와 공주, 하객으로 참석한 왕과 왕비들, 하트 잭, 하트왕과 하트 여왕은 모두 트럼프의 외연을 구성하는 객체 집합에 속함.

트럼프 개념의 심볼, 내연, 외연

 

객체를 분류하기 위한 틀

분류란?

• 객체에 특정한 개념을 적용하는 작업
• 객체에 특정한 개념을 적용하기로 결심했을 때 우리는 그 객체를 특정한 집합의 멤버로 분류하고 있는 것

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타입

타입은 개념이다

• 타입이란, 우리가 인식하고 있는 다양한 사물이나 객체에 적용할 수 있는 아이디어나 관념
• 어떤 객체에 타입을 적용할 수 있을 때 그 객체를 타입의 인스턴스라고 한다.
• 타입의 인스턴스는 타입을 구성하는 외연인 객체 집합의 일원

 

데이터 타입

외부의 해석가: 애플리케이션

1. 컴퓨터가 작업을 수행하기 위해서는 작업에 필요한 데이터를 메모리 안으로 불러들여야 한다.
2. 메모리에 불러들여진 데이터들은 무수히 많은 0과 1로 치장되어 메모리에 저장된다.
3. 메모리의 세상에는 타입이라는 질서가 존재하지 않는다.
4. '타입이 없다(Untyped)' → 메모리 안에 데이터를 다룰 수 있는 단 하나의 타입만이 존재한다는 것을 의미
5. 타입이 없는 체계 안에서 모든 데이터는 일련의 비트열로 구성
6. 어떤 메모리 조각에 들어 있는 값의 의미를 자신의 용도에 맞게 사용하는 외부의 프로그램이 바로 어플리케이션

 

타입의 등장

• 타입 없는 무질서가 혼돈을 초래함
• 숫자형: 어떤 데이터에 다른 데이터를 더하거나 뺴거나 나누거나 곱할 수 있다면 숫자형으로 분류
• 문자형: 데이터가 여러 문자로 구성돼 있고 다른 문자와 연결될 수 있다면 그 데이터를 문자열형으로 분류
• 논리형: 데이터를 이용해 어떤 사실에 대한 참/거짓을 이야기할 수 있다면 그 데이터는 논리형으로 분류

 

타입 시스템(type system)

• 목적: 메모리 안의 모든 데이터가 비트열로 보임으로써 야기되는 혼란 방지
• 메모리 안에 저장된 0과 1에 대해 수행 가능한 작업과 불가능한 작업을 구분하여 데이터가 잘못 사용되는 것을 방지
• 타입 시스템은 데이터가 잘못 사용되지 않도록 제약사항을 부과하는 것

 

타입에 관련된 두 가지 중요한 사실

타입은 데이터가 어떻게 사용되느냐에 관한 것

• 데이터가 어떤 타입에 속하는지를 결정하는 것은 데이터에 적용할 수 있는 작업
  • 숫자형: 더하거나 빼거나 곱하거나 나눌 수 있음
  • 문자형: 데이터를 연결해 새로운 문자열을 만들고 데이터에 포함된 문자의 길이 알 수 있음
• 어떤 데이터에 어떤 연산자를 적용할 수 있느냐가 그 데이터의 타입을 결정
  • 숫자형: 산술 연산자(+, -, *, / 등)

타입에 속한 데이터를 메모리에 어떻게 표현하는지 외부로부터 철저하게 감춰진다

• 데이터 타입의 표현은 연산 작업을 수행하기에 가장 효과적인 형태가 선택된다.
  • 개발자는 해당 데이터 타입의 표현 방식을 몰라도 됨
  • 해당 데이터 타입을 사용하기 위해 단지 데이터 타입에 적용할 수 있는 연산자만 알고 있으면 됨
• 숫자형 데이터 타입에 적용할 수 있는 산술 연산자를 알고 있으면 메모리 내부에 숫자가 어떤 방식으로 저장되는지를 모르더라도 숫자형 데이터를 사용할 수 있다.

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

 

객체와 타입

실제로 객체지향 프로그램을 작성할 때 우리는 객체를 일종의 데이터처럼 사용한다.

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 있다.

어플리케이션 내부의 모든 객체의 상태를 모으면 결국 어플리케이션에서 관리해야 하는 전체 데이터를 표현할 수 있다.

 

하지만 객체는 데이터가 아니다. 객체에서 중요한 것은 객체의 행동이다.

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

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

 

객체의 타입에서 중요한 점

1. 첫째, 어떤 객체가 어떤 타입에 속하는지를 결정하는 것은 객체가 수행하는 행동이다. 어떤 객체가 동일한 행동을 수행할 수 있다면 그 객체들은 동일한 타입으로 분류될 수 있다.
2. 둘째, 객체의 내부적인 표현은 외부로부터 철저하게 감춰진다. 객체의 행동을 가장 효과적으로 수행할 수만 있다면 객체 내부의 상태를 어떤 방식으로 표현하더라도 무방하다.

 

행동이 우선이다

동일한 타입이란

• 객체의 내부 표현 방식이 다르더라도 어떤 객체들이 동일하게 행동한다면 그 객체들은 동일한 타입에 속한다.
• 동일한 책임을 수행하는 일련의 객체는 동일한 타입에 속한다고 말할 수 있다.

 

객체를 타입으로 분류하는 기준

• 객체가 타입에 속한 다른 객체와 동일한 행동을 하는 것.
• 그 객체가 다른 객체와 동일한 데이터를 가지고 있더라도 다른 행동을 한다면 그 객체들은 서로 다른 타입으로 분류돼야 한다.

 

객체의 타입을 결정하는 것은 객체의 행동 뿐이다!

 

객체지향 패러다임에서 타입이 행동에 의해 결정되는 것의 의미

• 동일한 타입에 속한 객체는 내부의 데이터 표현 방식이 다르더라도 동일한 메시지를 수신하고 이를 처리할 수 있다.
  
  • 다만 내부의 표현 방식이 다르기 때문에 동일한 메시지를 처리하는 방식은 서로 다르다(다형성)
• 다형성이란 동일한 요청에 대해 서로 다른 방식으로 응답할 수 있는 능력
  • 동일한 메시지를 서로 다른 방식으로 처리하려면 객체들은 동일한 메시지를 수신할 수 있어야 한다.
  • 결과적으로 다형적인 객체들은 동일한 타입(또는 타입 계층)에 속하게 된다.
• 훌륭한 객체지향 설계는 외부에 행동만을 제공하고 데이터는 행동 뒤로 감춰야 한다.(캡슐화)
• 객체가 내부적으로 관리해야 하는 데이터가 아니라 객체가 외부에 제공해야 하는 행동을 먼저 생각해야 한다.
  • 객체가 외부에 제공해야 하는 책임을 먼저 결정
  • 그 책임을 수행하는 데 적합한 데이터를 나중에 결정
  • 데이터를 책임을 수행하는데 필요한 외부 인터페이스 뒤로 캡슐화해야함

흔히 책임-주도 설계(Responsibility-Driven Design)라고 부르는 객체지향 설계 방법은 데이터를 먼저 생각하는 데이터-주도 설계(Data-Driven Desgin) 방법의 단점을 개선하기 위해 고안됐다.

 

객체를 결정하는 것은 행동이다!

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타입의 계층

트럼프 계층

 트럼프 타입과 트럼프 인간 타입

• 정원사, 병사, 신하, 왕자와 공주, 하객으로 참석한 왕과 왕비들, 하트 잭, 하트왕과 하트 여왕은 트럼프가 아닌 트럼프 인간
• 이유
  • 타입의 정의: 객체가 동일한 타입으로 분류되기 위해서는 공통의 행동을 가져야 함.
  • 등장인물들의 외양은 트럼프와 유사하지만 행동 자체는 트럼프와 완벽하게 동일하지 않음
  • 트럼프 타입의 정의: 납작 엎드릴 수 있고 뒤집어질 수 있으며 걸을 때마다 몸이 종이처럼 좌우로 펄럭이는 존재, 걸어다닐 수 없음
• 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(generalization/specialization) 관계라고 한다.

트럼프와 트럼프 인간

일반화/특수화 관계

객체지향에서 일반화/특수화 관계를 결정하는 것은 객체의 상태를 표현하는 데이터가 아니라 행동이다.

두 타입 간에 일반화/특수화 관계가 성립 조건 2가지

1. 한 타입이 다른 타입보다 더 특수하게 행동해야 한다.
2. 반대로 한 타입은 다른 타입보다 더 일반적으로 행동해야 한다.

 

일반적인 타입이란?

• 특수한 타입이 가지는 모든 행동들 중에서 일부 행동만을 가지는 타입
• 특수한 타입보다 더 적은 수의 행동을 가진다.

특수한 타입이란?

• 일반적인 타입이 가진 모든 타입을 포함하지만 거기에 더해 자신만의 행동을 추가하는 타입
• 일반적인 타입보다 더 많은 수의 행동을 가진다.

 

타입의 내연을 의미하는 행동의 가짓수와 외연을 의미하는 집합의 크기는 서로 반대

• 일반적인 타입은 특수한 타입보다 더 적은 수의 행동, 더 큰 크기의 외연 집합을 가진다.
• 특수한 타입은 일반적인 타입보다 더 많은 수의 행동, 더 작은 크기의 외연 집합을 가진다.

 

슈퍼타입과 서브타입 표기법

일반화/특수화 관계 표기

일반화는 추상화를 위한 도구이다.

객체지향 패러다임을 통해 세상을 바라보는 거의 대부분의 경우에 분류와 일반화/특수화 기법을 동시에 적용하게 된다.

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정적 모델

타입의 목적

타입은 상태에 복잡성을 부과하는 시간이라는 요소를 제거함으로써 시간에 독립적인 정적인 모습으로 생각할 수 있게 해준다.

동적으로 변하는 객체의 상태를 정적인 관점에서 표현

• 타입을 이용하면 객체의 동적인 특성을 추상화할 수 있다.
• 타입은 시간에 따른 객체의 상태 변경이라는 복잡성을 단순화할 수 있는 효과적인 방법

 

동적 모델과 정적 모델

스냅샷(snapshot)

• 객체가 특정 시점에 구체적으로 가지는 상태
• 객체지향 모델링을 위한 표준 언어(UML)에서 스냅샷은 객체 다이어그램(object diagram)이라고도 불림
• 실제로 객체가 살아 움직이는 동안 상태 변화와 행동을 포착하는 것을 동적 모델(dynamic model)이라고 함

타입 모델(type diagram)

• 객체가 가질 수 있는 모든 상태와 모든 행동을 시간에 독립적으로 표현하는 것
• 동적으로 변하는 객체의 상태가 아닌 객체가 속한 타입의 정적 모습을 표현함 → 정적 모델(static model)이라고도 함

 

클래스

• 객체지향 프로그래밍 언어에서 정적 모델은 클래스를 이용해 구현된다.
• 타입을 구현하는 가장 보편적인 방법은 클래스를 이용하는 것
• 클래스와 타입은 동일한 것이 아니다.
  • 타입은 객체를 분류하기 위해 사용
  • 클래스는 단지 타입을 구현할 수 있는 여러 구현 메커니즘 중 하나
• 클래스는 타입의 구현 외에도 코드 재사용 용도로도 사용된다.

객체를 분류하는 기준이 타입이며, 타입을 나누는 기준은 객체가 수행하는 행동이다.
객체를 분류하기 위해 타입을 결정 후 프로그래밍 언어를 이용해 타입을 구현할 수 있는 한 가지 방법이 클래스다.
객체지향에서 중요한 것은 동적으로 변하는 객체의 '상태'와 상태를 변경하는 '행위'다.