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오브젝트 11장 합성과 유연한 설계

작성 2021년 6월 7일

업데이트 2021년 6월 7일

<오브젝트 - 코드로 이해하는 객체지향 설계> (조영호 저, 위키북스 출판) 를 스터디하며 요약한 내용입니다.

상속과 합성

상속과 합성은 객체지향 프로그래밍에서 가장 널리 사용되는 코드 재사용 기법이다. 그러나 코드 재사용이라는 동일한 목적을 제외하면 구현 방법부터 변경을 다루는 방식까지 모든 면에서 차이가 있다.

상속보다 합성을 이용하는 것이 좀 더 번거롭고 복잡하게 느껴질 수도 있지만, 설계는 변경과 관련된 것이다. 변경에 유연하게 대처할 수 있는 설계가 정답일 가능성이 높다. 따라서 코드 재사용을 위해서는 상속보다 합성이 더 좋은 방법이다.

1. 상속을 합성으로 변경하기

(10장에서 살펴본) 상속의 문제점

  • 불필요한 인터페이스 상속 문제
    • 자식 클래스에는 부적합한 부모 클래스의 오퍼레이션도 상속되기 때문에 자식 클래스 인스턴스의 상태가 불안정해짐
  • 메서드 오버라이딩의 오작용 문제
    • 자식 클래스가 부모 클래스의 메서드를 오버라이딩할 때 부모 클래스의 메서드 호출 방법에 영향을 받는 문제
  • 부모 클래스와 자식 클래스의 동시 수정 문제
    • 개념적인 결합으로 인해 부모 클래스 변경시 자식 클래스도 변경해야 하는 문제

합성을 사용하면 이 문제점들을 해결할 수 있다. 상속을 합성으로 바꾸는 방법은 간단하다. 자식 클래스에 선언된 상속 관계를 제거하고 부모 클래스의 인스턴스를 자식 클래스의 인스턴스 변수로 선언하면 된다. 10장의 상속 예제를 합성으로 바꾸며 살펴보자.

불필요한 인터페이스 상속 문제

Hashtable 클래스와 Properties 클래스 사이의 상속 관계를 합성 관계로 바꿔보자.

public class Properties {
  private Hashtable<String, String> properties = new Hashtable<>();

  public String setProperty(String key, String value) {
    return properties.put(key, value);
  }

  public String getProperty(String key) {
    return properties.get(key);
  }
}

합성으로 변경한 PropertiesHashtable의 내부 구현에 대해 알지 못한다. 단지 get, set 오퍼레이션이 포함된 퍼블릭 인터페이스를 통해서만 Hashtable과 혐력할 수 있다. 이 외의 Hashtable 오퍼레이션을 사용할 수 없기 때문에 String 타입의 key, value만 허용하는 규칙을 어길 위험성은 사라진다.

메서드 오버라이딩의 오작용 문제

InstrumentedHashSetHashSet 인스턴스를 내부에 포함한 후 HashSet의 퍼블릭 인터페이스에서 제공하는 오퍼레이션을 이용해 기능을 구현하면 된다. 그러나 앞의 예제와 달리 InstrumentedHashSetHashSet의 인터페이스를 그대로 제공해야 한다. 구현 결합도는 제거하면서도 퍼블릭 인터페이스를 그대로 상속받을 수 있는 방법은, 자바의 구현(implement) 인터페이스를 활용하면 된다. Set 인터페이스를 실체화하면서 내부에 HashSet 인스턴스를 합성하면 된다.

public class InstrumentedHashSet<E> implements Set<E> {
  private int addCount = 0;
  private Set<E> set;

  public InstrumentedHashSet(Set<E> set) {
    this.set = set;
  }

  @Override
  public boolean add(E e) {
    addCount++;
    return set.add(e);
  }

  @Override
  public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
    addCount += c.size();
    return set.addAll(c);
  }

  public int getAddCount() {
    return addCount;
  }

  /* 포워딩 메서드 */
  @Override public boolean remove(Object o) { return set.remove(o); }
  ...
  @Oberride public boolean removeAll(Collection<?> c) { return set.removeAll(c); }
}

포워딩 메서드(forwarding method): 기존 클래스의 인터페이스를 외부에 그대로 제공하면서 구현에 대한 결합 없이 일부 작동 방식을 변경하고 싶은 경우에 사용하는 기법

부모 클래스와 자식 클래스의 동시 수정 문제

Playlist의 경우는 합성으로 변경하더라도 가수별 노래 목록을 유지하기 위해 PersonalPlaylist를 함께 수정해야 하는 문제는 해결되지 않는다. 그래도 여전히 상속보다는 합성이 좋은데, 향후 Playlist 내부 구현을 변경하더라도 파급효과를 PersonalPlaylist 내부로 캡슐화할 수 있기 때문이다.

public class PersonalPlaylist {
  private Playlist playlist = new Playlist();

  public void append(Song song) {
    playlist.append(song);
  }

  public void remove(Song song) {
    playlist.getTracks().remove(song);
    palylist.getSingers().remove(song.getSinger());
  }
}

2. 상속으로 인한 조합의 폭발적인 증가

작은 기능들을 조합해서 큰 기능을 수행하는 객체를 만들어야 할 때, 상속으로 인해 결합도가 높은 코드는 수정하는 데 필요한 작업이 과도하게 늘어나는 경향이 있다.

  • 하나의 기능을 추가하거나 수정하기 위해 불필요하게 많은 수의 클래스를 추가하거나 수정해야 한다.
  • 단일 상속만 지원하는 언어에서는 상속으로 인해 오히려 중복 코드가 늘어날 수 있다.

기본 정책과 부가 정책 조합하기

지금부터는 핸드폰 요금제가 기본 정책과 부가 정책의 조합으로 구성되어야 한다. 부가 정책은 세금 정책, 또는 기본 요금 할인 정책이 추가될 수 있으며 다음과 같은 특성을 가진다.

  • 기본 정책의 계산 결과에 적용된다.
    • e.g.) 기본 정책 계산이 끝난 결과에 세금을 부과한다.
  • 선택적으로 사용할 수 있다.
    • e.g.) 기본 정책의 계산 결과에 세금 정책이 적용될 수도, 적용되지 않을 수도 있다.
  • 조합 가능하다.
    • e.g.) 기본 정책에 세금 정책만 적용할 수도 있고, 기본 요금 할인 정책만 적용할 수도 있다. 또는 둘 다 적용하는 것도 가능하다.
  • 부가 정책은 임의의 순서로 적용 가능하다.
    • e.g.) 부가 정책을 모두 적용할 경우 세금 정책 적용 후에 기본 요금 할인 정책을 적용할 수도 있고, 그 반대로 적용할 수도 있다.

이렇게 조합 가능한 요금 계산 순서를 따져 보면 10가지 경우의 수가 나오는데, 상속을 이용해서 이 정책을 구현한다면 결과적으로 Phone을 상속하는 10개의 클래스를 추가해야 하는 결과로 이어진다. 예제를 통해 살펴보자.

기본 정책에 세금 정책 조합하기

RegularPhone 클래스를 상속받은 TaxableRegularPhone 클래스를 추가하여 간단하게 구현해 보자. 단, 결합도를 낮추기 위해 부모 클래스에 새로운 추상 메서드 afterCalculated를 추가하고 자식 클래스에서 오버라이딩하여 결합도를 낮추도록 한다.

public abstract class Phone {
  private List<Call> calls = new AraryList<>();

  public Money calculateFee() {
    Money result = Money.ZERO

    for(Call call : calls) {
      result += result.plus(calculateCallFee(call));
    }

    return afterCalculated(result);
  }

  protected abstract Money calculateCallFee(Call call);
  protected abstract Money afterCalculated(Money fee) {
    /* 기본 구현과 함께 추가된 추상 메서드 */
    return fee;
  }
}

/* 부가 정책이 없는 RegularPhone과 NightlyDiscountPhone은 오버라이딩할 필요가 없다. */

/* RegularPhone 계산 요금에 세금을 부과하는 TaxableRegularPhone */
public class TaxableRegularPhone extends RegularPhone {
  ...
  @Override
  protected Money afterCalculated(Money fee) {
    return fee.plus(fee.times(texRate));
  }
}

/* NightlyDiscountPhone 계산 요금에 세금을 부과하는 TaxableNightlyDiscountPhone */
public class TaxableNightlyDiscountPhone extends NightlyDiscountPhone {
  ...
  @Override
  protected Money afterCalculated(Money fee) {
    return fee.plus(fee.times(texRate));
  }
}

위 코드를 보면 TaxableRegularPhoneTaxableNightlyDiscountPhone 사이에 코드가 부모 클래스 이름을 제외하면 거의 대부분 동일하다.

이 방법대로 기본정책에 기본 요금 할인 정책을 조합하는 과정을 반복해 보면 중복 코드의 덫에 걸린다는 것을 알 수 있다. 부가 정책은 자유롭게 조합 가능해야 하고 적용 순서도 임의로 결정할 수 있어야 하는데 이 방법으로는 모든 가능한 조합별로 자식 클래스를 하나씩 추가해야 한다. 그 과정에서 중복 코드가 계속해서 늘어난다. 만약 기본 정책으로 '고정 요금제'를 추가한다고 하면 이를 상속하는 부가 정책이 조합된 클래스를 또 한 차례 만들어야 한다. 마지막에는 이러한 상태가 된다.

여기서 새로운 부가정책을 하나 추가한다면? 몇 개의 클래스를 추가해야 하는지 고민해 보자. 이러한 경우를 클래스 폭발(Class Explosion) 문제라고 부른다. 컴파일타임에 결정되는 자식 클래스와 부모 클래스의 관계가 변경될 수 없기 때문에 다양한 조합이 필요한 상황에서 유일한 방법은 조합의 수만큼 새로운 클래스를 추가하는 것뿐이다.

3. 합성 관계로 변경하기

합성은 컴파일타임 관계를 런타임 관계로 변경함으로써 문제를 해결한다. 구현 시점에 정책들 간의 관계를 고정시킬 필요 없이, 실행 시점에 정책간 관계를 동적으로 유연하게 변경할 수 있도록 한다. 실행 시점에 인스턴스를 조립하는 방법을 사용하는 것이다.

기본 정책 합성하기

각 정책을 별도의 클래스로 구현하자. 먼저 핸드폰이라는 개념에서 요금 계산 방법이라는 개념을 분리해야 한다. 그리고 이를 Phone 안에서 합성하여 조합 가능하도록 만든다.

public interface RatePolicy {
  Money calculateFee(Phone phone);
}

/* 요금 계산 방식을 제외한 전체 처리 로직이 동일한 기본 정책 추상 클래스 */
public abstract class BasicRatePolicy implements RatePolicy {
  @Override
  public Money calculateFee(Phone phone) {
    Money result = Money.ZERO;

    for (Call call : phone.getCalls()) {
      result.plus(calculateCallFee(call));
    }

    return result;
  }

  protected abstract Money calculateCallFee(Call call);
}

/* 요금 계산 방식을 구현한 기본 정책 요금제 클래스 */
public class RegularPolicy extends BasicRatePolicy {
  ...
  @Override
  protected Money calculateCallFee(Call call) {
    return amount.times(call.getDuration().getSeconds() / seconds.getSeconds());
  }
}

public class NightlyDiscountPolicy extends BasicRatePolicy {
  ...
  @Override
  protected Money calculateCallFee(Call call) {
    if (call.getFrom().getHour() >= LATE_NIGHT_HOUR) {
      return nightlyAmount.times(call.getDuration().getSeconds() / seconds.getSeconds());
    }

    return regularAmount.times(call.getDuration().getSeconds() / seconds.getSeconds());
  }
}

/* 요금 계산이 반영되도록 Phone 수정 */
public class Phone {
  private RatePolicy ratePolicy;
  private List<Call> calls = new ArrayList<>();

  // RatePolicy에 대한 참조자가 포함되어 있음 (합성)
  public Phone(RatePolicy ratePolicy) {
    this.ratePolicy = ratePolicy;
  }

  public List<Call> getCAlls() {
    return Collections.unmodifiableList(calls);
  }

  public Money calculateFee() {
    return ratePolicy.calculateFee(this);
  }
}

/* 인스턴스 합성 예제 */
Phone regularPhone = new Phone(new RegularPolicy(
    Money.wons(10), Duration.ofSeconds(10)
  )
);
Phone nightlyDiscountPhone = new Phone(
  new NightlyDiscountPolicy(
    Money.wons(5), Money.wons(10), Duration.ofSeconds(10)
  )
);

부가 정책 적용하기

부가 정책 적용시 인스턴스 연결 관계를 고려하면, 다음 두 가지 제약이 있다.

  • 부가 정책은 기본 정책이나 다른 부가 정책의 인스턴스를 참조할 수 있어야 한다.
    • 즉, 어떤 종류의 정책과도 합성될 수 있어야 한다.
  • 기본 정책과 부가 정책은 협력 안에서 동일한 역할을 수행해야 한다.
    • 즉, 부가 정책이 기본 정책과 동일한 RatePolicy 인터페이스를 구현해야 한다.
/* 부가 정책 추상 클래스 */
public abstract class AdditionalRatePolicy implements RatePolicy {
  private RatePolicy next;

  public AdditionalRatePolicy(RatePolicy next) {
    this.next = next;
  }

  @Override
  public Money calculateFee(Phone phone) {
    Money fee = next.calculateFee(phone); // 합성되는 요금 정책 인스턴스를 런타임 의존성으로 대체
    return afterCalculated(fee);
  }

  abstract protected Money afterCalculated(Money fee);
}

/* 요금 계산 메서드를 오버라이딩하는 부가 정책 자식 클래스 */
public class TaxablePolicy extends AdditionalRatePolicy {
  ...
  @Override
  protected Money afterCalculated(Money fee) {
    return fee.plus(fee.times(taxRatio));
  }
}

public class RateDiscountablePolicy extends AdditionalRatePolicy {
  ...
  @Override
  protected Money afterCalculated(Money fee) {
    return fee.minus(discountAmount);
  }
}

/* 인스턴스 합성 예제 */
Phone taxablePhone = new Phone(
  new TaxablePolicy(
    0.05,
    new RegularPolicy(...)
  )
);
Phone rateDiscountableAndTaxablePhone = new Phone(
  new TaxablePolicy(
    0.05,
    new RateDiscountablePolicy(
      Money.wons(1000),
      new RegularPolicy(...)
    )
  )
);

위 예제를 살펴보면, 새로운 정책이 추가되더라도 합성을 이용한 설계에서는 하나의 클래스만 추가한 뒤 원하는 방식으로 조합하면 된다. 요구사항을 변경해야 할 때도 하나의 클래스만 수정하면 된다. (단일 책임 원칙 준수)

그렇다면 상속을 사용해서는 안되는 것일까?

상속을 구현 상속과 인터페이스 상속 두 가지로 나눈다는 사실을 이해한다면, 이번 장에서 살펴본 상속의 단점들은 구현 상속에 국한된다는 점 또한 이해할 수 있다.

4. 믹스인

믹스인(mixin): 객체를 생성할 때 코드 일부를 클래스 안에 섞어 넣어 재사용하는 기법. 합성이 런타임에 객체를 조합한다면, 믹스인은 컴파일타임에 필요한 코드 조각을 조합하는 방법이다.

믹스인은 상속과 유사해 보이지만 다르다. 상속의 결과는 부모 클래스와 자식 클래스가 동일한 개념적인 범주로 묶이지만, 믹스인은 말 그대로 코드를 다른 코드 안에 섞어 넣는 방법이다. 따라서 합성처럼 유연하면서도 쉽게 코드를 재사용할 수 있다. 스칼라 언어의 trait 를 이용해 믹스인을 구현해보자. (기본 구현은 자바와 비슷하여 생략)

/* 세금 정책 트레이트 */
trait TaxablePolicy extends BasicRatePolicy {
  ...
  override def calculateFee(phone: Phone): Money = {
    val fee = super.calculateFee(phone)
    return fee + fee * taxRate
  }
}

/* 비율 할인 정책 트레이트 */
trait RateDiscountablePolicy extends BasicRatePolicy {
  ...
  override def calculateFee(phone: Phone): Money = {
    val fee = super.calculateFee(phone)
    return fee - discountableAmount
  }
}

트레이트에서 extends 는 상속의 개념이 아니라 해당 클래스의 자손에 해당하는 경우에만 믹스인될 수 있다는 의미이다. 즉, TaxablePolicy가 사용될 수 있는 문맥을 BasicRatePolicy를 상속받은 경우만으로 제한할 뿐이다. 실제로 어떤 코드에 믹스인될 것인지는 코드 작성 시점에 고정되지 않고 런타임에 결정된다.

부가 정책 트레이트 믹스인하기

스칼라에서 믹스인하려는 대상 클래스의 부모 클래스는 extends를 이용해 상속받고, 트레이트는 with를 이용해 믹스인한다. 믹스인된 객체 인스턴스에 메시지를 전송했을 때, 스칼라는 특정 클래스에 믹스인한 클래스와 트레이트를 선형화(linearization)하여 어떤 메서드를 호출할지 결정한다.

/* 믹스인 예제 */
class TaxableRegularPolicy(
    amount: Money,
    seconds: Duration,
    val taxRate: Double)
  extends RegularPolicy(amount, seconds)
  with TaxablePolicy

class RateDiscountableAndTaxableRegularPolicy(
    amount: Money,
    seconds: Duration,
    val discaountAmount: Money,
    val taxRate: Double)
  extends RegularPolicy(amount, seconds)
  with TaxablePolicy
  with RateDiscountablePolicy

쌓을 수 있는 변경

믹스인은 상속 계층 안에서 확장한 클래스보다 하위에 위치한다. 즉, 자식 클래스 같은 용도로 만들어지기 때문에 추상 서브클래스(abstract subclass)라고 부르기도 한다.

또한 믹스인을 사용하면 독립적으로 구현한 후 필요한 시점에 차례대로 추가할 수 있다. 이러한 특징을 쌓을 수 있는 변경(stackable modification)이라고 부르기도 한다.