item 20 : 추상클래스보다는 인터페이스를 고려하라

1. 자바에서의 다중 구현 매커니즘

자바가 제공하는 다중 구현 메커니즘은 인터페이스와 추상 클래스

자바8부터는 인터페이스도 디폴트 메서드를 제공할 수 있게되어 인터페이스와 추상 클래스 모두 인스턴스 메서드를 구현 형태로 제공할 수 있다.

둘의 가장 큰 차이는 추상 클래스가 정의한 타입을 구현하는 클래스는 반드시 추상 클래스의 하위 클래스가 되어야 한다. 자바는 단일 상속만 지원하니 큰 제약이다.

인터페이스는 선언한 메서드를 모두 정의하고 그 규약을 지킨 클래스라면 다른 어떤 클래스를 상속해도 같은 타입으로 취급한다.

2. 인터페이스를 사용했을 때의 장점

1) 기존 클래스에도 손쉽게 새로운 인터페이스를 구현해넣을 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 릴리스됐다.

// 새로운 인터페이스 Comparable 추가
// Employee 클래스는 Person을 상속하면서 Comparable 인터페이스를 구현한다
interface Comparable<T> {
    int compareTo(T o);
}

// 기존 클래스
class Person {
    private String name;

    public Person(String name) {
        this.name = name;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }
}

// Person 클래스가 인터페이스 Comparable을 구현할 수 있음
class Employee extends Person implements Comparable<Employee> {
    private int id;

    public Employee(String name, int id) {
        super(name);
        this.id = id;
    }

    @Override
    public int compareTo(Employee o) {
        return Integer.compare(this.id, o.id); // Employee의 id로 비교
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Employee e1 = new Employee("Alice", 100);
        Employee e2 = new Employee("Bob", 200);

        System.out.println(e1.compareTo(e2)); // -1 출력
    }
}

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. 새로 추가된 추상 클래스의 모든 자손이 이를 상속하게 되는 것이 다. 그렇게 하는 것이 적절하지 않은 상황에서도 강제로 말이다.

// 새로운 추상 클래스 추가
abstract class Animal {
    public abstract void makeSound();
}

// 기존 클래스
class Dog {
    public void bark() {
        System.out.println("멍멍");
    }
}

// 기존 클래스
class Cat {
    public void meow() {
        System.out.println("야옹");
    }
}

// 새로운 추상 클래스를 적용하기 어려운 상황
// Dog과 Cat은 Animal을 상속하지 않기 때문에 계층 구조를 변경해야 함

class AnimalDog extends Animal {
    @Override
    public void makeSound() {
        System.out.println("멍멍");
    }
}

class AnimalCat extends Animal {
    @Override
    public void makeSound() {
        System.out.println("야옹");
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        AnimalDog dog = new AnimalDog();
        AnimalCat cat = new AnimalCat();

        dog.makeSound(); // 멍멍 출력
        cat.makeSound(); // 야옹 출력
    }
}

위와 같은 코드처럼 되면, 계층 구조가 강제로 변경되며, 기존 설계와 호환되지 않거나 불필요한 상속이 발생할 수 있다.

2) 인터페이스는 믹스인(mixin) 정의에 안성맞춤이다.

믹스인이란 클래스가 구현할 수 있는 타입으로, 믹스인을 구현한 클래스에 원래의 주된 기능외에 도 특정 선택적 기능을 더하는 효

이 역할을 보통 인터페이스로 구현할 수 있습니다. 반면, 추상 클래스로는 믹스인을 정의할 수 없다는 내용은 다중 상속을 지원하지 않는 자바의 특성 때문에 발생하는 문제입니다.

🧐 믹스인(Mixin)이란?

믹스인은 하나의 주된 클래스에 선택적인 기능을 추가할 수 있는 방식으로, 여러 클래스에서 공통적으로 구현할 수 있는 기능을 제공하는 인터페이스를 의미한다. 예를 들어, Comparable 인터페이스는 어떤 클래스든 상관없이, 그 클래스 인스턴스들 사이에 비교 기능을 더할 수 있게 해준다.

🧐 왜 추상 클래스로 믹스인을 정의할 수 없을까?

자바는 다중 상속을 허용하지 않기 때문에, 클래스가 이미 다른 클래스를 상속받고 있으면 추가적으로 다른 추상 클래스를 상속받을 수 없다. 하지만 인터페이스는 여러 개를 구현할 수 있으므로, 인터페이스로는 믹스인 역할을 할 수 있지만, 추상 클래스로는 불가능하다.

예시 코드

인터페이스로 믹스인을 구현하는 경우와 추상 클래스를 사용하려 할 때의 문제점

1. 인터페이스로 믹스인 구현 (가능)

// Comparable 인터페이스는 '믹스인' 역할을 할 수 있다.
interface Comparable<T> {
    int compareTo(T o);
}

// 주된 클래스: Person
class Person {
    private String name;
    private int age;

    public Person(String name, int age) {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public int getAge() {
        return age;
    }
}

// Person 클래스에 믹스인 인터페이스(Comparable)를 구현할 수 있다.
class Employee extends Person implements Comparable<Employee> {
    private int id;

    public Employee(String name, int age, int id) {
        super(name, age);
        this.id = id;
    }

    @Override
    public int compareTo(Employee o) {
        return Integer.compare(this.id, o.id); // Employee의 id로 비교
    }

    public int getId() {
        return id;
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Employee emp1 = new Employee("Alice", 30, 101);
        Employee emp2 = new Employee("Bob", 25, 102);

        System.out.println(emp1.compareTo(emp2)); // -1 출력
    }
}

설명:

• Person 클래스가 Employee로 확장되었고, 추가적으로 Comparable<Employee>라는 믹스인 인터페이스를 구현할 수 있다.

• 이를 통해 Employee 클래스 인스턴스들끼리 비교할 수 있는 기능을 추가할 수 있다.

2. 추상 클래스로 믹스인 정의 (불가능)

// 추상 클래스 정의
abstract class ComparableMixin {
    public abstract int compare(Object o);
}

// 이미 상속받고 있는 주된 클래스
class Person {
    private String name;
    private int age;

    public Person(String name, int age) {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public int getAge() {
        return age;
    }
}

// 자바는 다중 상속을 허용하지 않으므로, Person 클래스가 ComparableMixin을 상속받을 수 없다.
class Employee extends Person /*, ComparableMixin */ {
    private int id;

    public Employee(String name, int age, int id) {
        super(name, age);
        this.id = id;
    }

    // compare 메서드가 필요하지만 다중 상속 불가로 추상 클래스 적용 불가
    /*
    @Override
    public int compare(Object o) {
        Employee emp = (Employee) o;
        return Integer.compare(this.id, emp.id);
    }
    */
}

• Employee 클래스는 이미 Person 클래스를 상속받고 있기 때문에, ComparableMixin이라는 추상 클래스를 추가적으로 상속받을 수 없다.

• 자바는 다중 상속을 허용하지 않기 때문에, 이 상황에서 추상 클래스를 믹스인으로 사용할 수 없다.

인터페이스는 여러 개를 구현할 수 있기 때문에, 클래스의 주된 기능 외에 선택적 기능을 믹스인으로 제공하는 데 적합하다. 즉, Comparable과 같은 인터페이스는 클래스에 필요한 기능을 자유롭게 추가할 수 있는 방식으로 사용된다.

반면, 추상 클래스는 클래스 계층 구조를 강하게 제한하므로, 새로운 추상 클래스를 도입하여 믹스인 역할을 하려면 상속 제약에 걸리게 됩니다. 이는 자바가 다중 상속을 지원하지 않기 때문이다.

3) 인터페이스로는 계층구조가 없는 타입 프레임워크를 만들 수 있다.

타입 계층 구조를 만들 때, 인터페이스를 사용하면 계층의 제약 없이 다양한 기능을 조합할 수 있어 유연하다.

반면, 클래스 기반으로 동일한 타입을 정의하려고 하면 조합의 수가 급격히 늘어나면서 복잡해지는 문제(조합 폭발)가 발생한다.

1. 인터페이스의 유연성:

   • 인터페이스는 다중 상속이 가능하므로, 여러 인터페이스를 자유롭게 조합할 수 있다.

   • 예를 들어, 가수(Singer)와 작곡가(Songwriter)라는 인터페이스를 각각 정의하고, 가수이면서 작곡가인 사람을 나타내기 위해 두 인터페이스를 구현하는 클래스를 만들 수 있다.

   • 더 나아가, Singer와 Songwriter를 확장하고 새로운 기능을 추가하는 제3의 인터페이스(SingerSongwriter)를 정의할 수도 있다.

// 가수 인터페이스
public interface Singer {
    AudioClip sing(Song s);  // 가수는 노래를 부름
}

// 작곡가 인터페이스
public interface Songwriter {
    Song compose(int chartPosition);  // 작곡가는 노래를 만듦
}

// 가수이자 작곡가인 인터페이스
public interface SingerSongwriter extends Singer, Songwriter {
    AudioClip strum();  // 추가 기능: 악기를 연주할 수 있음
    void actSensitive();  // 추가 기능: 감성적인 행동을 할 수 있음
}

• Singer와 Songwriter 인터페이스는 각각 가수와 작곡가의 역할을 정의한다.

• SingerSongwriter 인터페이스는 두 인터페이스를 확장하여 가수이면서 작곡가인 사람을 표현한다. 또한, 악기 연주(strum())와 감성적 행동(actSensitive()) 같은 추가 기능도 정의한다.

• 인터페이스를 사용함으로써, 하나의 클래스가 가수이면서 작곡가인 동시에 추가적인 기능을 쉽게 구현할 수 있다.

1. 클래스 계층 구조의 제한:

• 클래스 기반으로 비슷한 조합을 만들면, 다중 상속이 불가능하기 때문에 가수이면서 작곡가인 클래스를 정의하려면 별도의 클래스를 만들어야 한다.

• 속성의 수가 많아질수록, 모든 조합을 클래스로 표현하려면 그만큼 많은 클래스를 만들어야 해서 클래스 계층 구조가 비대해지는 문제(조합 폭발)가 발생한다.

2. 클래스 기반 구조의 문제점

// 가수 클래스
class SingerClass {
    public AudioClip sing(Song s) {
        // 가수의 노래 부르기 기능
    }
}

// 작곡가 클래스
class SongwriterClass {
    public Song compose(int chartPosition) {
        // 작곡가의 작곡 기능
    }
}

// 가수이자 작곡가인 클래스를 만들려면 다중 상속이 안되므로 불편함이 발생
class SingerSongwriterClass extends SingerClass {
    // 작곡가 기능을 구현하려면 추가 메서드를 작성해야 함
    public Song compose(int chartPosition) {
        // 작곡가의 작곡 기능 추가
    }

    // 추가적인 기능도 직접 구현해야 함
    public AudioClip strum() {
        // 악기 연주 기능
    }

    public void actSensitive() {
        // 감성적 행동 기능
    }
}

설명:

• SingerClass와 SongwriterClass를 클래스로 정의하려면, 다중 상속이 불가능하므로 하나의 클래스에 모든 기능을 직접 추가해야 한다.

• 예를 들어, 가수이자 작곡가인 클래스를 정의하려면, SingerClass를 상속하고 별도로 SongwriterClass의 기능을 추가로 구현해야 한다.

• 클래스가 많아질수록 각 조합마다 새로운 클래스를 정의해야 하므로, 조합이 많아지면 관리가 어려워지고 복잡해지는 문제가 발생한다.

즉, 인터페이스의 장점은

• 다중 상속 가능: 자바에서 인터페이스는 여러 개를 동시에 구현할 수 있기 때문에, 여러 기능을 쉽게 조합할 수 있다.

• 유연성: 인터페이스를 사용하면 코드의 재사용성과 확장성이 높아지고, 다양한 기능을 독립적으로 구현할 수 있다.

• 낮은 결합도: 인터페이스를 사용하면 구현 세부 사항을 분리할 수 있어, 클래스 간 결합도가 낮아진다.

4) 래퍼 클래스 관용구와 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 깨지기 쉽다.

인터페이스의 메서드 중 구현 방법이 명백한 것이 있다면, 디폴트 메소드로 만들 수 있다. 그러나 디폴트 메서드는 제약이 있다.

• equals와 hashcode를 디폴트 메소드로 제공 안함

• 인터페이스는 인스턴스 필드를 가질 수 없고, private 정적 메소드를 가질 수 없다.

• 본인이 만든 인터페이스가 아니면 디폴트 메소드 추가 불가능

그리고 디폴트 메서드를 제공할 때는 상속하려는 사람을 위한 설명을 @implSpec 자바독 태그를 붙여 문서화해야 한다.

3. 인터페이스와 추상 골격 구현 클래스

골격 구현 클래스는 복잡한 인터페이스를 구현하는 데 필요한 메서드를 미리 구현해두는 추상 클래스로, 이를 확장하면 인터페이스를 쉽게 구현할 수 있다.

1) 인터페이스와 디폴트 메서드, 골격 구현에 대한 설명

1. 인터페이스와 추상 클래스:

   • 인터페이스는 다중 구현을 가능하게 해준다. 클래스는 다중 상속이 불가능하지만, 인터페이스는 여러 개를 동시에 구현할 수 있다. 그래서 다양한 타입의 기능을 구현하는 데 적합하다.

   • 추상 클래스는 단일 상속만 허용되기 때문에 클래스 계층 구조에 제한이 있다. 또한, 한 번 상속되면 다른 추상 클래스를 함께 상속할 수 없어서 확장성이 떨어진다.

2. 디폴트 메서드

목적: 인터페이스에서 일부 메서드의 기본 구현을 제공하여, 인터페이스를 확장하거나 구현할 때, 프로그래머가 모든 메서드를 반드시 구현할 필요를 없애준다.

• 도입 시기: 자바 8

• 하지만 디폴트 메서드로 equals, hashCode, toString 같은 Object 메서드를 제공할 수 없다. 이러한 메서드들은 여전히 추상 클래스에서 구현해야 한다.

• 사용 예:

  public interface MyInterface {
      // 추상 메서드
      void abstractMethod();
  
      // 디폴트 메서드
      default void defaultMethod() {
          System.out.println("This is a default method.");
      }
  }

• 주요 장점

  • 기존 인터페이스를 변경하지 않고도 새로운 기능을 추가할 수 있다.

  • 다중 상속이 가능하여, 여러 인터페이스에서 디폴트 메서드를 상속받을 수 있다.

  • 기존 클래스를 유지한 채 하위 호환성을 보장하면서도 새로운 기능을 추가할 수 있다.

1. 골격 구현(Skeletal Implementation)

목적: 인터페이스에서 일부 메서드의 기본 구현을 제공하여, 인터페이스를 확장하거나 구현할 때, 프로그래머가 모든 메서드를 반드시 구현할 필요를 없애준다.

• 도입 시기: 자바 1.2 (컬렉션 프레임워크)

• 골격 구현 클래스는 복잡한 인터페이스를 구현하는 데 필요한 많은 메서드를 미리 구현해두는 추상 클래스이다. 이 클래스는 템플릿 메서드 패턴을 따른다.

• 인터페이스를 직접 구현하는 것보다 골격 구현 클래스를 확장하면 인터페이스의 구현 부담이 크게 줄어든다.

• 컬렉션 프레임워크에서 제공하는 AbstractCollection, AbstractSet, AbstractList, AbstractMap 등이 대표적인 골격 구현 클래스의 예

1. 골격 구현의 제약 사항

• 상속 구조를 가지며, 단일 상속만 가능하기 때문에, 클래스는 한 번에 하나의 골격 구현 클래스만 확장할 수 있다.

• 추상 클래스로 구현되기 때문에, 필드를 가질 수 있고, protected나 private 접근자를 사용할 수 있다.

1. 골격 구현의 장점

• 복잡한 인터페이스의 구현을 단순화합니다. 예를 들어, 컬렉션 프레임워크의 AbstractList는 List 인터페이스의 복잡한 메서드들(예: contains, isEmpty)을 기본적으로 제공하여, 하위 클래스가 간단하게 필요한 메서드만 구현할 수 있도록 도와준다.

• 필드를 포함할 수 있고 내부 구현을 캡슐화할 수 있다.

• protected 메서드나 필드를 제공하여 하위 클래스가 유연하게 사용하거나 재정의할 수 있다.

1. 골격 구현 클래스 작성 방법:

abstract class AbstractList<E> implements List<E> {
    @Override
    public boolean isEmpty() {
        return size() == 0;
    }

    @Override
    public boolean contains(Object o) {
        for (E e : this) {
            if (e.equals(o)) return true;
        }
        return false;
    }

    // 추가적으로 더 많은 메서드를 골격 구현으로 제공
}

• 먼저 인터페이스를 분석해, 기반 메서드를 선정하고, 이 메서드들은 골격 구현에서 추상 메서드로 남긴다.

• 그다음, 기반 메서드들로 구현할 수 있는 메서드는 디폴트 메서드로 제공한다.

• equals, hashCode, toString 등 Object 메서드는 디폴트 메서드로 제공할 수 없으므로, 추상 클래스에서 구현해야 한다.

2) 예시 코드

1. 골격 구현을 활용한 List 구현

다음 코드는 int[] 배열을 받아 List<Integer> 형태로 변환하는 골격 구현을 사용하는 예시

// 골격 구현을 사용해 완성한 List 클래스
static List<Integer> intArrayAsList(int[] a) {
    Objects.requireNonNull(a); // null 값 방지

    return new AbstractList<>() {
        @Override
        public Integer get(int i) {
            return a[i]; // 오토박싱
        }

        @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;
        }
    };
}

• 설명: 이 코드는 int[] 배열을 받아 List<Integer> 형태로 변환하는 어댑터 역할을 한다. AbstractList는 골격 구현 클래스로, 이를 상속받아 필요한 get(), set(), size() 메서드를 구현했다. 이렇게 골격 구현 클래스를 활용하면 리스트 기능을 구현하는 데 필요한 작업이 크게 줄어든다.

2. 골격 구현 클래스의 예시 (Map.Entry)

다음 코드는 자바의 Map.Entry 인터페이스를 위한 골격 구현 클래스

public abstract class AbstractMapEntry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {

    // 변경 가능한 엔트리는 이 메서드를 재정의해야 한다.
    @Override
    public V setValue(V value) {
        throw new UnsupportedOperationException(); // 기본적으로 값을 수정할 수 없음
    }

    // equals 메서드의 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());
    }

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

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

• 설명: 이 클래스는 Map.Entry 인터페이스의 골격 구현이다. equals, hashCode, toString 메서드를 구현해두었으며, setValue()는 기본적으로 값을 수정할 수 없도록 예외를 던지게 되어 있다. 하위 클래스는 이 메서드들을 재정의할 수 있다.

3. 단순 구현의 예 (AbstractMap.SimpleEntry)

단순 구현은 골격 구현과 유사하지만, 추상 클래스가 아니며 바로 사용할 수 있는 가장 기본적인 구현

public class SimpleEntry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
    private final K key;
    private V value;

    public SimpleEntry(K key, V value) {
        this.key = key;
        this.value = value;
    }

    @Override
    public K getKey() {
        return key;
    }

    @Override
    public V getValue() {
        return value;
    }

    @Override
    public V setValue(V value) {
        V old = this.value;
        this.value = value;
        return old;
    }
}

• 설명: SimpleEntry는 골격 구현 클래스는 아니지만, Map.Entry 인터페이스를 구현한 가장 기본적인 클래스입니다. 이를 그대로 사용하거나, 필요에 따라 확장할 수 있다.

디폴트 메소드를 사용하지 않고 추상 골격 구현 클래스(AbstractCharacter)를 구현하여 중복을 없앨 수 있다.

3) 디폴트 메서드와 골격 구현 비교

특징	디폴트 메서드	골격 구현 (Skeletal Implementation)
구현 위치	인터페이스 안에서 제공	추상 클래스에서 제공
상속 구조	다중 상속 가능 (여러 인터페이스에서 디폴트 메서드 상속)	단일 상속 (한 번에 하나의 골격 구현 클래스만 상속 가능)
필드 사용	인스턴스 필드 사용 불가	인스턴스 필드 사용 가능
메서드 제공 범위	주로 간단한 메서드 구현 (구현 코드가 적음)	복잡한 메서드 구현 가능 (구현 코드가 많을 수 있음)
주된 활용	주로 작은 기능 추가 또는 간단한 기본 동작 제공	인터페이스의 복잡한 동작을 구현하는 데 사용
Object 메서드 제약	equals, hashCode, toString은 구현 불가	equals, hashCode, toString은 구현 가능
하위 호환성	기존 인터페이스에 새로운 메서드를 추가할 때 유용	클래스 확장을 통해 상속된 메서드를 구현

✨ 최종 정리

일반적으로 다중 구현용 타입으로는 인터페이스가 가장 적합하다.

복잡한 인터페이스라 면 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 한이라고 한 이유는, 인터페이스에 걸려 있는 구현상의 제약 때문에 골격 구현을 추상 클래스로 제공하는 경우가 더 흔하기 때문이다.

참고 글 : https://velog.io/@injoon2019/%EC%9D%B4%ED%8E%99%ED%8B%B0%EB%B8%8C-%EC%9E%90%EB%B0%94-%EC%95%84%EC%9D%B4%ED%85%9C20.-%EC%B6%94%EC%83%81-%ED%81%B4%EB%9E%98%EC%8A%A4%EB%B3%B4%EB%8B%A4%EB%8A%94-%EC%9D%B8%ED%84%B0%ED%8E%98%EC%9D%B4%EC%8A%A4%EB%A5%BC-%EC%9A%B0%EC%84%A0%ED%95%98%EB%9D%BC