[객체지향의 사실과 오해] 3장 타입과 추상화

일단 컴퓨터를 조작하는 것이 추상화를 구축하고, 조작하고, 추론하는 것에 관한 모든 것이라는 것을 깨닫고 나면 (훌륭한) 컴퓨터 프로그램을 작성하기 위한 중요한 전제 조건은 추상화를 정확하게 다루는 능력이라는 것이 명확해 진다.
- 키스 데블린 -

지하철을 이용하는 승객의 목적은 하나의 역에서 다른 역으로 이동하는 것이다.

승객이 원하는 것

• 어떤 역에서 출발해야 하는지
• 어떤 역에서 환승해야 하는지
• 어떤 역을 거쳐야 가장 빠르게 목적지에 도착할 수 있는지를 직관적이고 단순하게 보여주는 것

지하철 노선도는 사실적으로 지형을 묘사했는지가 아니라 역과 역사이 연결성을 얼마나 직관적으로 표현했느냐이다.

초기 지하철 노선도는 본래의 목적과는 무관한 사실적인 지형 정보를 혼합함으로써 중요한 정보를 파악하기 힘들게 만드는 잘못을 범했다.

혁신적인 현재의 지하철 노선도의 탄생의 핵심은 지도가 당연히 가져야 한다고 생각되는 ‘정확성’을 버리고 ‘목적’에 집중한 결과이다. 지하철을 갈아탈 때 중요한 것은 지형이 아니라 역의 연결이다. 몰라도 되는 정보를 무시하고 승객이 꼭 알아야 하는 사실만을 정확하게 표현하며 이해하기 쉽고 단순하며 목적에 부합하는 지하철 노선도를 창조할 수 있었다. 이는 지하철 노선을 추상화한 것이다.

 

추상화를 통한 복잡성 극복

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현실에 존재하는 다양한 현상 및 사물과 상호작용하기 위해서는 현실을 이해해야한다. 하지만 현실은 너무 복잡하고 인간의 인지능력과 저장공간이 보잘것 없기 때문에 본능적으로 이해하기 쉽고 예측 가능한 수준으로 현실을 분해하고 단순화 하는 전략을 따른다.

진정한 의미에서 추상화란 현실에서 출발하되 불필요한 부분을 도려내가면서 사물의 놀라운 본질을 드러내게 하는 과정이다. 추상화의 목적은 불필요한 부분을 무시함으로써 현실에 존재하는 복잡성을 극복하는 것이다.

훌륭한 추상화는 목적에 부합하는 것이여야한다. 어떤 추상화도 의도된 목적이 아닌 다른 목적으로 사용한다면 오도될 수 있다. 추상화의 수준, 이익, 가치는 목적에 의존적이다.

추상화

어떤 양상, 세부사항, 구조를 좀 더 명확하게 이해하기 위해 특정 절차나 물체를 의도적으로 생략하거나 감춤으로써 복잡도를 극복하는 방법이다.

복잡성을 다루기 위해 추상화는 두 차원에서 이루어진다.

• 첫 번째 차원은 구체적인 사물들 간의 공통점은 취하고 차이점은 버리는 일반화를 통해 단순하게 만드는 것이다.
• 두 번째 차원은 중요한 부분을 강조하기 위해 불필요한 세부 사항을 제거함으로써 단순하게 만드는 것이다.

모든 경우 추상화의 목적은 복잡성을 이해하기 쉬운 수준으로 단순화 하는 것이라는 점을 기억하자.

객체 지향 패러다임은 객체라는 추상화를 통해 현실의 복잡성을 극복한다. 객체지향 패러다임을 이용해 개발하기 위한 첫걸음은 추상화의 두 차원을 올바르게 이해하고 적용하는 것이다.

 

객체지향과 추상화

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모두 트럼프일 뿐

이상한 나라의 앨리스 내용 중 정원에 등장하는 수많은 객체 중 정원사, 병사, 왕, 왕비, 신하들은 제각기 독특한 모습을 하고 있으며, 독특한 행동양식을 지니고 있다. 하지만 앨리스는 이 객체 대부분을 하나로 아울러 생각하고 있다. ‘기껏해야 트럼프에 불과해’ 앨리스는 객체들 중 토끼를 제외한 모든 객체를 ‘트럼프’라는 하나의 개념으로 단순화해서 바라보고 있다. 정원사, 병사, 왕, 왕비, 신하, 여왕 들의 차이점은 과감하게 무시한 채 공통점 만을 취해 단순화 해 버렸다.

그룹으로 나누어 단순화 하기

여기서 정원사, 병사, 신하, 왕자, 공주, 왕, 왕비, 여왕들은 다양한 측면에서 서로를 구별할 수 있는 독특한 특징이 있다. 각 특징을 구분하고 서로를 쉽게 구분할 수 있는데 이처럼 명확한 경계를 가지고 서로를 구별할 수 있는 구체적인 사람이나 사물을 객체지향 패러다임에서는 객체라고 한다.

이 다양한 인물들을 트럼프라는 한 단어로 줄여 지칭할 수 있는 이유는 ‘트럼프’라고 했을 때 떠오르는 일반적인 외형과 행동방식을 지니고 있기 때문이다.

앨리스는 정원에 있는 인물들을 두개의 그룹으로 나눴다. 하나는 트럼프 그룹, 다른 하나는 토끼그룹이다. 트럼프, 토끼 라는 두개의 렌즈를 통해 정원을 바라보는 것은 정원에 내제된 복잡성을 효과적으로 감소시킨다.

개념

앨리스는 인물들의 차이점을 의도적으로 무시하고 공통점만을 강조함으로써 ‘트럼프’라는 그룹에 속할 수 있는 인물들을 취사 선택한 것이다. 이는 추상화의 일종이다. 이를 통해 정원안에 도열해 있던 인물들의 복잡다단한 면을 깔끔하게 추상화 할 수 있었다.

이처럼 공통점을 기반으로 객체들을 묶기 위한 그릇을 **개념(concept)**이라고 한다. 개념이란 일반적으로 우리가 인식하고 있는 다양한 사물이나 객체에 적용할 수 있는 아이디어나 관념을 뜻한다.

우리는 주변에 존재하는 다양한 사물들에게 특정한 개념을 적용하는 데 익숙하다. 길거리를 누비는 교통수단에 대해서는 ‘자동차’라는 개념을 적용한다. 하늘을 나는 교통 수단을 지칭하는 개념은 ‘비행기’다.

앨리스 이야기에서 앨리스는 많은 객체들 중 몸이 납작하고 두 손과 두 발이 네모난 몸 모서리에 달려 있는 객체만을 트럼프라는 개념으로 추상화 했다. 여기서 트럼프는 이 같은 공통점을 가진 객체들을 포괄할 수 있는 개념이다.

개념을 이용하면 객체들을 여러 그룹으로 **분류(classification)**할 수 있다.

각 객체는 특정한 개념을 표현하는 그룹의 일원으로 포함된다. 하트 여왕은 트럼프 라는 개념 그룹의 일원이고 하얀 토끼는 토끼 라는 개념 그룹의 일원이다. 이처럼 객체에 어떤 개념을 적용하는 것이 가능해서 개념 그룹의 일원이 될 때 객체를 그 개념의 **인스턴스(instanse)**라고 한다.

객체

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

개념이라는 렌즈를 통해 세상을 바라보는 다양한 객체가 존재하는 복잡한 세상을 몇개의 개념만으로 단순화할 수 있다. 개념은 객체를 분류할 수 있는 틀을 제공한다.

개념의 세가지 관점

개념은 특정한 객체가 어떤 그룹에 속할 것인지를 결정한다. 어떤 객체에 어떤 개념이 적용됐다고 할 때는 그 개념이 부가하는 의미를 만족시킴으로써 다른 객체와 함께 해당 개념의 일원이 됐다는 것을 의미한다.

객체의 분류 장치로서 개념의 세가지 관점

• 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(Set)

심볼이란 개념을 가리키는 이름이다. 앨리스 이야기에서 개념을 지칭하는데 사용된 ‘트럼프’ 라는 이름은 개념의 심볼이 된다.

내연이란 개념의 의미를 나타낸다. 앨리스 이야기에서 몸이 납작하고 두손과 두 발이 네모난 몸 모서리에 달려있다는 트럼프의 설명이 바로 내연이다. 내연은 개념을 객체에 적용할 수 있는지 판단하기 위한 조건이라는 점에 주목하자.

외연이란 개념의 인스턴스들이 모여 이뤄낸 집합을 가르킨다. 앨리스 이야기에서 정원사, 병사, 왕자와 공주, 하객 들은 모두 트럼프의 외연을 구성하는 객체 집합에 속한다.

트럼프라는 개념의 심볼, 내연, 외연

• 심볼 : 트럼프
• 내연 : 몸이 납작하고 두손과 두발은 네모 귀퉁이에 달려있는 등장인물
• 외연 : 정원사, 병사, 신하, 여왕, 하객 등…

개념이 심볼, 내연, 외연으로 구성돼 있다는 사실보다는 개념을 이용해 객체들을 분류할 수 있다는 사실이 더 중요하다. 개념을 이용해 공통점을 가진 객체들을 분류할 수 있다는 아이디어는 객체지향 패러다임이 복잡성을 극복하는 데 사용하는 가장 기본적인 인지수단이다.

객체를 분류하기 위한 틀

외연의 관점에서 어떤 객체에 어떤 개념을 적용할 수 있다는 것은 동일한 개념으로 구성된 객체 집합에 해당 객체를 포함시킨다는 것을 의미한다.

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

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

• 객체를 적절한 개념에 따라 분류하지 못한 애플리케이션은 유지보수가 어렵고 변화에 쉽게 대처하지 못한다.
• 객체를 적절한 개념에 따라 분류한 애플리케이션은 유지보수가 용이하고 변경에 유연하게 대처한다.
• 적절한 분류 체계는 애플리케이션을 다루는 개발자의 머릿속에 객체를 쉽게 찾고 조작할 수 있는 정신적인 지도를 제공한다는 것이다.

분류는 추상화를 위한 도구다

• 추상화의 첫번째 차원은 구체적인 사물 간의 공통점은 취하고 차이점은 버리는 일반화를 통해 단순화 하는 것
• 추상화의 두번째 차원은 중요한 부분을 강조하기 위해 불필요한 세부사항을 제거해 단순화하는 것

개념을 통해 객체를 분류하는 과정은 추상화의 두가지 차원을 모두 사용한다.

 

타입

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타입은 개념이다.

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

데이터 타입

컴퓨터가 어떤 작업을 수행하기 위해서는 작업에 필요한 데이터를 메모리 안으로 불러들여야 한다. 메모리에 불러들여진 데이터들은 무수히 많은 0과 1로 치장되어 메모리에 저장된다.

메모리 세상에는 타입이라는 질서가 존재 하지 않는다.

“타입이 없다” 라는 말은 메모리 안의 데이터를 다룰 수 있는 단 하나의 타입만이 존재한다는 것을 의미한다.

사람들은 자신이 다뤄야 하는 데이터의 용도와 행동에 따라 데이터를 분류 했다. 이에 따라 타입 시스템(type system)이 자라났다. 타입 시스템의 목적은 데이터가 잘못 사용되지 않도록 제약사항을 부과하는 것이다.

타입에 관련된 두가지 중요한 사실

1. 타입은 데이터가 어떻게 사용되느냐에 관한 것이다. 어떤 데이터에 어떤 연산자를 적용할 수 있느냐가 그 데이터의 타입을 결정한다.
2. 타입에 속한 데이터를 메모리에 어떻게 표현하는지는 외부로부터 철저히 감춰진다. 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 메타 데이터다. 데이터에 대한 분류는 암시적으로 어떤 종류의 연산이 해당 데이터에 대해 수행될 수 있는지를 결정한다.

객체와 타입

객체는 데이터가 아니다. 객체에서 중요한 것은 행동이다. 상태는 행동의 결과로 초래된 부수효과를 쉽게 표현하기 위해 도입한 추상적인 개념일 뿐이다. 객체를 창조할 때 가장 중요하게 고려해야 할 것은 객체가 이웃하는 객체와 협력하기 위해 어떤 행동을 해야 할지를 결정하는 것이다.

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

행동이 우선이다.

객체의 내부 표현방식이 다르더라도 객체들이 동일하게 행동한다면 그 객체들은 동일한 타입에 속한다. 동일한 책임을 수행하는 일련의 객체는 동일한 타입에 속한다.

객체를 타입으로 분류할 때 사용해야 하는 기준

• 그 객체가 타입에 속한 다른 객체들과 동일한 행동을 하는지.
• 객체가 어떤 데이터를 보유하고 있는지는 타입을 결정하는데 아무런 영향이 없다.

같은 타입에 속한 객체는 행동만 동일하다면 다른 데이터를 가질 수 있다. ⇒ 동일한 행동이란 동일한 책임 ⇒ 동일한 책임이란 동일한 메시지 수신을 의미.

다만, 내부의 표현 방식이 다르기 때문에 동일한 메시지를 처리하는 방식은 서로다를 수 밖에 없는데 이것은 다형성에 의미를 부여한다.

다형성 : 동일한 요청에 대해 서로 다른 방식으로 응답할 수 있는 능력

훌륭한 객체지향 설계는 외부의 행동만을 제공하고 데이터는 행동 뒤로 감춰야 한다. ⇒ 캡슐화

행동에 따라 객체를 분류하기 위해서는 객체가 내부적으로 관리해야 하는 데이터가 아니라 객체가 외부에 제공해야 하는 행동을 먼저 생각해야 한다.

• 객체가 외부에 제공하는 행동을 먼저 생각해야 한다. 이를 위해 객체가 외부에 제공해야 하는 책임을 먼저 결정하고 그 책임을 수행하는 데 적합한 데이터를 나중에 결정한 후, 데이터를 책임을 수행하는 데 필요한 외부 인터페이스 뒤로 캡슐화 해야한다.

책임-주도 설계(Responsibility-Driven Design)

 

타입의 계층

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트럼프 계층

객체가 동일한 타입으로 분류되기 위해서는 공통의 행동을 가져야 한다. 앨리스 이야기에서 등장인물들의 외형은 트럼프와 유사하지만 행동 자체는 트럼프와 완벽하게 동일하지 않다. 트럼프는 걸어다닐 수 없기에 트럼프 인간이라는 타입으로 분류하는 것이 옳다.

이때 트럼프 인간 타입의 객체는 트럼프 타입의 객체가 할 수 있는 모든 행동을 할 수 있을 뿐 아니라 추가적으로 걸어다닐 수 있다. 트럼프보다 트럼프 인간이 더 특화된 행동을 할 수 있다.

• 트럼프는 트럼프 인간을 포괄하는 좀 더 일반적인 개념이다.
• 트럼프 인간은 트럼프보다 좀 더 특수한 개념이다.

이 두 개념 사이의 관계를 일반화/특수화 관계라고 한다.

일반화/특수화 관계

일반화와 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 그 수가 적을 수 밖에 없다.

두 타입간에 일반화/특수화 관계가 성립하려면 한 타입이 다른 타입보다 더 특수하게 행동해야 하고 반대로 한 타입은 다른 타입보다 더 일반적으로 행동해야 한다. 중요한 것은 내부의 데이터가 아니라 객체가 외부에 제공하는 행동이다.

일반적인 타입 : 특수한 타입에 비해 더 적은 행동수, 더 큰 크기의 외연

특수한 타입 : 일반적인 타입에 비해 더 많은 행동, 일반적인 타입이 할 수 있는 모든 행동을 동일하게 수행할 수 있어야 한다, 더 적은 크기의 외연

슈퍼타입과 서브타입

좀 더 일반적인 타입을 슈퍼타입, 좀 더 특수한 타입을 서브 타입이라고 한다.

두 타입간의 관계는 행동에 의해 결정된다. 어떤 타입이 다른 타입의 서브 타입이 되기 위해서는 행위적 호환성을 만족시켜야 한다.

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

일반화는 추상화를 위한 도구다

일반화/특수화 계층은 객체지향 패러다임에서 추상화의 두번째 차원을 적절하게 활용하는 대표적인 예다.

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

 

정적 모델

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타입의 목적

타입을 사용하는 이유는 인간의 인지능력으로는 시간에 따라 동적으로 변하는 객체의 복잡성을 극복하기 너무 어렵기 때문

앨리스에 대해 생각 할 때 단지 변경되는 키라는 상태를 가진다고 단순화 하면 그만이다. 타입은 시간에 따라 동적으로 변하는 앨리스의 상태를 시간과 무관한 정적인 모습으로 다룰 수 있게 해준다.

그래서 결국 타입은 추상화다.

타입은 추상화다. 앨리스에 관해 생각할 때 불필요한 시간이라는 요소와 상태 변화라는 요소를 제거하고 철저하게 정적인 관점에서 앨리스의 모습을 묘사하는 것을 가능하게 해준다.

타입을 이용하면 객체의 동적인 특성을 추상화 할 수 있다. 타입은 시간에 따른 객체의 상태 변경이라는 복잡성을 단순화할 수 있는 효과적인 방법인 것이다.

동적 모델과 정적 모델

객체를 생각할 때 고려하는 두가지 모델

1. 객체가 특정 시점에 구체적으로 어떤 상태를 가지느냐 ⇒ 객체의 스냅샷 (객체 다이어그램) : 동적모델
2. 객체가 가질 수 있는 모든 상태와 모든 행동을 시간에 독립적으로 표현하는 것 ⇒ 타입 모델 : 정적 모델

객체 관점의 동적 모델과 객체를 추상화한 타입관점의 정적 모델을 적절히 혼용해야 한다.

• 객체지향 프로그래밍 언어를 이용해 클래스를 작성하는 시점에는 시스템을 정적인 관점에서 접근하는 것
• 실제로 애플리케이션을 실행 해 객체의 상태 변경을 추적하고 디버깅 하는동안은 객체의 동적인 모델을 탐험하는 것

클래스

객체지향 프로그래밍 언어에서 정적 모델은 클래스를 이용해 구현된다. 타입을 구현하는 가장 보편적인 방법은 클래스를 이용하는 것이다.

클래스와 타입은 동일한 것이 아니다.

• 타입은 객체를 분류하기 위해 사용되는 개념
• 클래스는 단지 타입을 구현할 수 있는 여러 구현 매커니즘 중 하나

클래스와 타입을 구분하는 것은 설계를 유연하게 유지하기 위한 바탕이 된다.

정리

객체를 분류하는 기준은 타입이며, 타입을 나누는 기준은 객체가 수행하는 행동이다.

• 객체를 분류하기 위해 타입을 결정한 후 프로그래밍 언어를 이용해 타입을 구현할 수 있는 방법 중 한가지가 클래스이다.
• 객체지향에서 중요한 것은 동적으로 변하는 객체의 ‘상태’와 상태를 변경하는 ‘행위’다.
• 클래스는 타입을 구현하기 위해 프로그래밍 언어에서 제공하는 구현 메커니즘이다.