[Panda] 객체지향의 사실과 오해 3장

03. 타입과 추상화

 

책은 지하철 노선도를 추상화한 해리 백 이야기로 시작한다.

승객들이 지하철을 쉽게 이용할 수 있는 이유 중 하는 단순하고 직관적으로 역 간의 네트워크를 표현하는 지하철 노선도가 있기 때문이다.

 

초기 지하철 노선도는 실제와 유사한 물리적 지형 위에 운행 노선과 불규칙적인 역간 거리를 사실적으로 묘사했다. 그러나 이런 사실적인 정보는 승객들이 노선도를 이해하기 어렵게 만들었다.

지하철을 이용하는 승객들의 목적은 하나의 역에서 다른 역으로 이동하는 것이기에 어떤 역에서 출발 및 환승을 해야하는지, 어떤 역을 거쳐야만 가장 쉽고 빠르게 목적지에 도착할 수 있는지 등을 직관적이고 단순하게 보여주는 것이 중요하다.

 

즉 지하철 노선도 디자인에서 중요한 것은 사실적인 묘사가 아니라 역과 역 사이의 연결성을 어마나 직관적으로 표현했느냐이다.

⬆️ 초기 지하철 노선도

⬆️ 해리백의 지하철 노선도

 

해리 벡은 정확성을 버리고 지하철 노선도의 목적에 집중하여 이해하기 쉽고 단순한 지하철 노선도를 구현해냈다.

역 사이의 연결성에만 집중하여 지하철 노선을 추상화한 것이다.

 

 

추상화를 통한 복잡성 극복

현실에 존재하는 다양한 현상 및 상호작용하기 위해서는 현실을 이해해야한다.

현실은 매우 복잡하기 때문에 사람들은 본능적으로 이해하기 쉽고 예측가능한 수준을 현실을 분해하고 단순화한다.

즉 추상화는 복잡한 현실을 단순화하기 위해 사용하는 인간의 가장 기본적인 인지 수단이다.

 

해리 벡의 지하철 노선도는 추상화의 훌륭한 예시로 승객들의 목적(역의 위치가 중요한 것이 아니라 역과 역 사이의 연결관계가 중요하다는 것)에 맞게 현실을 단순화 했다.

추상화 현실에서 출발하되 목접에 부합하도록 불필요한 부분을 도려내가면서 사물의 놀라운 본질을 드러나게하는 과정이다. 추상화의 목적은 복잡성을 이해하기 쉬운 수준으로 단순화하는 것에 있다.

 

추상화
어떤 양상, 세부 사항, 구조를 좀더 명확하게 이해하기 위해 특정 절차나 물체를 의도적으로 생략하거나 감춤으로써 복잡도를 극복하는 방법

 

복잡성을 다루기 위해 추상화는 두 차원에서 이루어진다.

• 첫 번째 차원: 구체적인 사물들 간의 공통점은 취하고 차이점은 버리는 일반화

• 두 번째 차원: 중요한 부분을 강조하기 위해 불필요한 세부 사항을 제거함으로써 단순하게 만드는 것

 

객체지향 패러다임은 객체라는 추상화를 통해 현실의 복잡성을 극복한다. 그리고 이 패러다임을 이용해 유용한 애플리케이션을 개발하기 위해서는 추상화의 두 차원을 올바르고 이해하고 적용하는 것이 중요하다.

 

 

객체지향과 추상화

추상화를 설명하기 위해 책은 또 다시 이상한 나라의 앨리스를 사용한다.

앨리스가 하트 여왕이 최초로 마주치는 장면에는 앨리스, 정원사, 병사, 신하들, 토끼, 공주와 왕자, 하트 왕과 여왕 등 많은 객체들이 등장한다. 

 

그러나 '기껏해야 트럼프에 불과해'라는 앨리스의 대사처럼, 하얀 토끼를 제외한 모든 객체들을 '트럼프'라는 하나의 개념으로 단순화해서 바라볼 수 도 있다.

정원에 있는 다양한 인물들의 계급, 나이, 성격 등의 차이점은 무시하고 트럼프라는 공통점만을 취해 단순화하는 것이다.

 

분명 앞에서 언급한 인물들은 명확한 경계를 가지고 서로 구별할 수 있는 객체들이다.

그러면 어떻게 이 다양한 인물들을 트럼프라는 한 단어로 줄여 표현할 수 있을까?

그 이유는 이 인물들이 트럼프라고 했을 때 떠오르는 일반적인 외형과 행동 방식을 지니고 있기 때문이다.

 

사람들은 공통적인 특성을 기준으로 객체를 여러 그룹으로 묶어 동시에 다뤄야하는 가짓수를 줄임으로써 상황을 단순화하려 노력한다.

• 개념(concept): 우리가 인식하고 있는 다양한 사물이나 객체에 적용할 수 있는 아이디어나 관념, 공통점을 기반으로 객체들을 묶기 위한 그릇
• 분류(classification): 개념을 이용해 객체를 여러 그룹으로 나누는 것
• 인스턴스(instance): 객체에 어떤 개념을 적용하는 것이 가능해서 개념 그룹의 일원이 될 때의 객체

 

개념의 3가지 관점

1. 심볼(Symbol): 개념을 가리키는 간략한 이름이나 명칭    ex. 트럼프
2. 내연(intension): 개념의 완전한 정의, 내연의 의미를 이용해 객체가 내면에 속하는지 여부를 확인할 수 있다. 객체에게 적용할 수 있는지 여부를 판단하기 위한 조건     ex. 트럼프에 대한 설명
3. 외면(extension): 개념에 속하는 모든 객체들 즉 개념의 인스턴스들의 집합(set)    ex. 정원사, 병사, 신하, 왕자와 공주, 하객으로 참석한 왕과 왕비들, 하트 잭, 하트 왕과 하트 여왕

 

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

분류란 특정한 객체들을 특정한 개념의 객체 집합에 포함시키기거나 포함시키지 않는 작업을 의미한다.

어떤 객체를 어떤 개념을 분류할지가 객체 지향의 품질으 결정한다.

객체를 적절한 개념에 따라 분류한 애플리케이션은 유지보수가 용이하고 변경에 유연하게 대처할 수 있다.

 

개념을 통해 객체를 분류하는 과정은 추상화의 두 가지 차원을 모두 사용한다.

개념은 추상화의 첫 번째 차원인 일반화를 적용한 결과이다.

분류하는 것은 추상화의 두 번째 차원에 따라 불필요한 세부 사항을 제거하는 것과 같다.

 

개념은 객체들의 복잡성을 극복하기 위한 추상화 도구이다.

추상화를 사용함으로써 우리는 그도로 복잡한 이 세상을 그나마 제어 가능한 수준으로 단순화할 수 있다.

 

 

타입

타입은 개념이다.

타입: 공통점을 기반으로 객체들을 묶기 위한 틀 (개념과 동일한 개념)

데이터 타입은 메모리 안에 저장된 데이터의 종류를 분류하는데 사용되는 메타데이터이다.

1. 타입은 데이터가 어떻게 사용되느냐에 관한 것이다.
2. 타입에 속한 데이터를 메모리에 어떻게 표현하는지는 외부로부터 철저하게 감춰진다.

컴퓨터가 어떤 작업을 수행하기 위해서는 작업에 필요한 데이터를 메모리 안으로 불러들여야한다.

메모리로 불러들여진 데이터들은 무수히 많은 0과 1로 메모리에 저장되고 일련의 비트열(bit string)으로 구성된다.

어떤 메모리 조각에 들어있는 값의 의미는 그 값을 가져다 자신의 용도에 맞게 사용하는 외부 해석가 주로 애플리케이션에 의해 결정된다.

컴퓨터 안의 데이터들을 목적에 따라 분류하기 시작하면서 타입 시스템이 생기게 되었다.

타입시스템의 목적은 메모리안의 모든 데이터가 비트열로 보임으로써 야기되는 혼란을 방지해 데이터가 잘못 사용되지 않도록 하는 것이다. 메모리 안에 저장된 0과 1에 대해 수행 가능한 작업과 불가능한 작업을 구분함으로써 데이터가 잘못 사용되는 것을 방지한다.

 

객체와 타입

객체지향 프로그램을 작성할 때 우리는 객체를 일종에 데이터처럼 사용한다.

(그러나 객체는 데이터가 아니다. 객체가 협력을 위해 어떤 책임을 지녀야 하는지를 결정하는 것이 객체지향 설계의 핵심이다.) 객체를 타입에 따라 분류하고 그 타입에 이름을 붙이는 것은 프로그램에서 사용할 새로운 데이터 타입을 선언하는 것과 같다. 객체는 행위에 따라 변할 수 있는 상태를 가지고 있다. 애플리케이션 내부의 모든 객체의 상태를 모으면 애플리케이션에서 관리해야하는 전체 데이터를 표현할 수 있게 된다.

1. 어떤 객체가 어떤 타입에 속하는지를 결정하는 것은 객체가 수행하는 행동이다.
2. 객체의 내부적인 표현은 외부로부터 철저하게 감춰진다.

 

행동이 우선이다

객체의 타입을 결정하는 것은 행동이다.

1, 2번째 조언에 따라 객체 내부 표현 방식이 다르더라도 어떤 객체들이 동일하게 행동한다면 그 객체들은 동일한 타입에 속한다. 동일한 책임을 수행하는 일련의 객체는 동일한 타입에 속한다고 말할 수 있다. (객체끼리 동일한 데이터를 가지고 있더라도 다른 행동을 한다면 그 객체들을 서로 다른 타입으로 분류되어야 한다.)

 

동일한 행동은 동일한 책임을 의미하며, 동일한 책임이란 동일한 메세지 수신을 의미한다.

동일한 타입에 속한는 객체는 내부 데이터 표현 방식이 다르더라도 동일한 메세지 수신하고 이를 처리할 수 있다.

다만 내부 표현 방식이 다르기 때문에 동일한 메세지를 처리하는 방식은 서로 다를 수 밖에 없다. 

이것은 동일한 요청에 대해 서로 다른 방식으로 응답할 수 있는 능력을 뜻하는 다형성에 해당한다.

동일한 메세지를 서로 다른 방식으로 처리하기 위해서는 객체들은 동일한 메세지를 수신할 수 있어야 하기 때문에 결과적으로 다형적인 객체들은 동일한 타입(또는 타입 계층)에 속하게 된다.

 

행동만이 고려 대상이라는 사실은 외부에 데이터를 감춰야 한다는 것을 의미한다.

훌륭한 객체지향 설계는 외부에 행동만을 제공하고 데이터는 행동 뒤로 감춰야 한다. 이 원칙을 캡슐화라고 한다.

캡슐화를 지키지 않으면 객체의 분류 체계는 위험에 노출되고 결과적으로 유연하지 못한 설계를 낳는다.

 

객체가 외부에 제공해야하는 책임을 먼저 결정하고 그 책임을 수행하는데 적합한 데이터를 나중에 결정한 후, 데이터를 책임을 수행하는데 필요한 외부 인터페이스 뒤로 캡슐화해야 한다.

데이터 주도 설계가 아니라 책임 주도 설계를 해야한다.

 

타입의 계층

앨래스는 정원사, 병사, 신하 등등을 트럼프 인간으로 생각했지 트럼프 카드라고 생각한 적은 없다.

등장인물의 모습은 트럼프와 유사하지만 행동 자체는 트럼프와 동일하지 않다.

 

트럼프를 납작 엎드릴 수 있고 뒤집어 질 수 있으며 걸을 때마다 몸이 종이처럼 좌우로 펄럭이는 존재라고 정의 내릴 수 있다. 그러나 앨리스에 나오는 등장인물은 추가적으로 걸어다는 행동까지 할 수 있다.

트럼프 인간은 트럼프가 할 수 있는 모든 것을 할 수 있지만 트럼프보다 좀 더 특화된 행동을 할 수 있다.

다르게 말하면 트럼프 인간은 트럼프가 될 수 있지만 트럼프는 트럼프 인간이 될 수 없다.

트럼프는 트럼프 인간을 포괄하는 좀 더 일반적인 개념이다.

 

이렇게 두 개념 사이의 관계를 일반화/특수화(generalization/specialization) 관계라고 한다.

트럼프는 트럼프 인간보다 더 일반적인(= 포괄적인) 개념이다.

트럼프 인간은 트럼프를 좀 더 특수하게 표현한 것이다. 더 특수하다는 것은 일적인 개념보다 범위가 더 좁다는 것을 의미하므로 트럼프 인간에 속하는 객체는 트럼프에 속하는 객체보다 그 수가 적고 트럼프의 부분 집합이 된다.

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

객체가 외부에 제공하는 행동을 기준으로 두 타입간에 일반화/특수화 관계가 성립하기 위해서는 한 타입이 다른 타입보다 더 특수하게 행동해야하고 반대로 한 타입은 다른 타입보다 더 일반적으로 행동해야한다

특수한 탕비은 일반적인 타입이 가진 모든 타입을 포함하지만 거기에 더해 자신만의 행동을 추가하는 타입이다.

일반적인 타입은 특수한 타입보다 더 적은 수의 행동을 가질 수 밖에 없다.

타입의 내연을 의미하는 행동의 가짓수와 외연을 의미하는 집합의 크기는 서로 반대이다.

 

슈퍼타입과 서브타입

• 슈퍼타입: 일반적인 타입
• 서브타입: 좀 더 특수한 타입

두 타입간의 관계는 행동에 의해 결정된다. 어떤 타입이 다른 타입의 서브타입이 되기 위해서는 행위적 호환성을 만족시켜야한다. 일반적으로 서브타입은 슈퍼타입의 행위와 호환되기 때문에 서브타입은 슈퍼타입을 대체할 수 있어야 한다.

슈터파입과 서브타입은 다음과 같이 표기한다.

앨리스가 트럼프 인간이 아니라 좀 더 단순화된 트럼프로 본 것 처럼 일반화는 추상화를 위한 도구이다. 

 

정적 모델

타입을 사용하는 이유: 인간의 인지 능력으로는 시간에 따라 동적으로 변하는 객체의 복잡성을 극복하기가 어렵기 때문

앨리스가 이상한 나라에서 키가 변하는 상황을 생각해 보면, 앨리스라는 객체의 상태는 변하지만 앨리스를 다른 객체와 구분할 수 있는 식별성은 동일하게 유지된다.

 

타입은 시간에 따라 동적으로 변하는 앨리스의 상태를 시간과 무관한 정적인 모습으로 다룰 수 있게 해준다.

시간이라는 요소를 제거함으로써 시간에 독립적인 정적인 모습을 앨리스를 생각할 수 있게 해준다. 이런 관점에서 타입은 추상화다.(불필요한 관점을 제거하고 정적인 관점에서 묘사)

탑을 이용하면 객체의 동적인 특성을 추상화할 수 있다. 시간에 따른 객체의 상태 변경이라는 복잡성을 단순화할 수 있는 효과적인 방법인 것이다.

 

• 동적 모델: 특정 시점에 구체적으로 어떤 상태를 가지는지를 표현, 실제로 객체가 살아 움직이는 동안 상태가 어떻게 변하고 어떻게 행동하는지를 포착하는 것
• 정적 모델: 객체가 가질 수 잇는 모든 상태와 모든 행동을 시간에 독립적으로 표현, 객체가 속한 타입의 정적인 모습을 표현하는 것

클래스를 작성하는 시점에서는 시스템을 정적인 관점에서 접근하는 것이지만 애플리케이션을 실행해 객체의 상태변경을 추적하고 디버깅하는 동안에는 객체의 동적인 모델을 살펴보고 있는 것이다.

 

클래스

객체지향 프로그래밍 언어에서 정적인 모델은 클래스를 이용해 구현된다.

따라서 타입을 구현하는 가장 일반적인 방법은 클래스를 이용하는 것이다.

타입은 객체를 분류하기 위해 사용하는 개념인 반면 클래스는 타입을 구현할 수 있는 여러 구현 메커니즘 중 하나이다.

클래스와 타입은 동일한 개념이 아니다. 설계를 유연하게 유지하기 위해서는 클래스와 타입을 구분해야한다.