4. 추상화(Abstraction)

Java/객체지향 프로그래밍 심화

4. 추상화(Abstraction)

mozzi329 2022. 7. 13. 16:21

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📌 Goal

추상화의 핵심 개념과 목적을 이해하고 설명할 수 있다.
abstract 제어자가 내포하고 있는 의미를 이해하고, 어떻게 사용되는 지 설명할 수 있다.
추상 클래스의 핵심 개념과 기본 문법을 이해할 수 있다.
final 키워드를 이해하고 설명할 수 있다.
자바 추상화에서 핵심적인 역할을 수행하는 인터페이스의 핵심 내용과 그 활용을 이해할 수 있다.
추상 클래스와 인터페이스의 차이를 설명할 수 있다.

📌 추상화(Abstraction)

“사물이나 표상을 어떤 성질, 공통성, 본질에 착안하여 그것을 추출하여 파악하는 것”
자바에서의 추상화는 객체의 공통적인 속성과 기능을 추출하여 정의하는 것을 의미

상속이 하위 클래스를 정의하는데 상위 클래스를 사용하는 것이라고 한다면 추상화는 반대로 기존 클래스들의 공통적인 요소들을 뽑아서 상위 클래스를 만들어 내는 것이라고 할 수 있다.

방법에 있어서는 상향식과 하향식 설계 모두 크게 상관이 없다. 즉, 공통적인 속성과 기능을 정의하고 하위 클래스들을 생성할 수도 있고, 반대로 하위 클래스들의 공통성을 모아 상위 클래스를 정의할 수 있다.

아래 그림을 살펴보자.

그림을 보면 자동차와 오토바이의 공통적인 분모들을 모아 이동수단이라는 클래스에 담아놨다. 반대로 이동수단이 가지는 공통적인 특징을 자동차와 오토바이에 내려줬다고 생각해도 공식은 유효해보인다.

이렇게 공통적인 속성과 기능을 모아서 정의해주면 코드의 중복을 줄일 수 있고, 보다 효과적으로 클래스 간의 관계를 설정할 수 있으며, 유지/보수가 용이해진다. 자바에서는 주로 추상 클래스와 인터페이스라는 문법 요소를 사용해서 추상화를 구현한다.

📌 abstract 제어자

'추상적인'이라는 의미로 사용되며 자바의 맥락에서 abstract라는 단어가 내포하는 의미는 ‘미완성'이라 정리할 수 있다.

abstract 제어자는 주로 클래스와 메서드를 형용하는 키워드로 사용되는데, 메서드 앞에 붙은 경우를 ‘추상 메서드(abstract method)’, 클래스 앞에 붙은 경우를 ‘추상 클래스(abstract class)’라고 부른다. 또한 어떤 클래스에 추상 메서드가 포함되어있는 경우 해당 클래스는 자동으로 추상 클래스가 된다.

아래 예시를 살펴보자.

abstract class AbstractExample { // 추상 메서드가 최소 하나 이상 포함돼있는 추상 클래스
	abstract void start(); // 메서드 바디가 없는 추상메서드
}

abstract의 가장 핵심적인 개념은 앞서 언급한 ‘미완성'에 있다. 추상 메서드는 메서드의 시그니처만 있고 바디가 없는 메서드를 의미하는데, abstract키워드를 메서드 이름 앞에 붙여주어 해당 메서드가 추상 메서드임을 표시한다.

‘구체적인'의 반대 의미로서 ‘추상적인'이라는 형용사가 가지는 의미를 생각해보시면 이해하는데 도움이 될 수 있다. '추상적이다'라는 것의 의미는 다른 말로 표현하면 '충분히 구체적이지 않다'는 의미이기도 하다.

즉, 추상 메서드는 충분히 구체화되지 않은 미완성 메서드이며, 미완성 메서드를 포함하는 클래스는 미완성 클래스를 의미하는 추상 클래스가 된다.

AbstractExample abstractExample = new AbstractExample(); // 에러발생.

마지막으로 추상 클래스는 앞서 설명한대로 미완성 설계도이기 때문에 메서드 바디가 완성이 되기 전까지 이를 기반으로 객체 생성이 불가하다. 그렇다면 추상 클래스는 왜 사용하는 것이며, 사용하면 어떤 장점이 있을까?

📌 추상 클래스

메서드 시그니처만 존재하고 바디가 선언되어있지 않은 추상 메서드를 포함하는 ‘미완성 설계도’

추상 클래스는 미완성된 구조를 가지고 있기에 이를 기반으로 객체를 생성하는 것이 불가능하다. 그렇다면 왜 객체도 생성하지 못하는 미완성 클래스를 만들까?

크게 두 가지를 언급할 수 있다.

추상 클래스는 상속 관계에 있어 새로운 클래스를 작성하는데 매우 유용하다.
추상 클래스는 자바 객체지향 프로그래밍의 마지막 기둥인 추상화를 구현하는데 핵심적인 역할을 수행한다.

❗️ 상속 관계에 있어 새로운 클래스를 작성하는데 매우 유용하다.

메서드의 내용은 상속을 받는 클래스에 따라서 종종 달라지기 때문에 상위 클래스에서는 선언부만을 작성하고, 실제 구체적인 내용은 상속을 받는 하위 클래스에서 구현하도록 비워둔다면 설계하는 상황이 변하더라도 보다 유연하게 대응할 수 있다.

이 때 사용하는 것이 바로 ‘오버라이딩'이다. 오버라이딩을 통해 추상 클래스로부터 상속받은 추상 메서드의 내용을 구현하여 메서드를 완성시킬 수 있고, 이렇게 완성된 클래스를 기반으로 해당 객체를 생성할 수 있다.

아래 예제를 살펴보자.

abstract class Animal {
	public String kind;
	public abstract void sound();
}

class Dog extends Animal { // Animal 클래스로부터 상속
	public Dog() {
		this.kind = "포유류";
	}

	public void sound() { // 메서드 오버라이딩 -> 구현부 완성
		System.out.println("멍멍");
	}
}

class Cat extends Animal { // Animal 클래스로부터 상속
	public Cat() {
		this.kind = "포유류";
	}

	public void sound() { // 메서드 오버라이딩 -> 구현부 완성
		System.out.println("야옹");
	}
}

class DogExample {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
       Animal dog = new Dog();
       dog.sound();

       Cat cat = new Cat();
       cat.sound();
    }
 }

// 출력값
멍멍
야옹

먼저 Animal클래스 안에 abstract키워드를 사용한 sound()메서드가 추상 메서드로 선언되었고, 따라서 이를 포함하는 Animal 클래스 또한 abstract키워드를 사용하여 추상 클래스로 만들어주었다. 이후 추상 클래스 Animal를 상속받은 Dog클래스와 Cat클래스 안에 추상 메서드 sound()를 각각 오버라이딩하여 각 객체에 맞는 구현부를 완성해주었고, 마지막으로 이렇게 완성된 클래스를 기반으로 dog인스턴스와 cat인스턴스를 생성하여 sound() 메서드를 호출했다. 그 결과 출력값으로 각각 “멍멍"과 “야옹"이라는 값이 반환되었다.

이렇듯 추상 클래스를 사용하면 상속을 받는 하위 클래스에서 오버라이딩을 통해 각각 상황에 맞는 메서드 구현이 가능하다는 장점이 있다.

추상화를 한마디로 정리하면 “객체의 공통적인 속성과 기능을 추출하여 정의하는 것”이라 정리할 수 있다.

앞선 예시를 다시보면,

동물이 가지는 공통적인 특성을 모아 먼저 추상 클래스로 선언해주었고, 이를 기반으로 각각의 상속된 하위 클래스에서 오버라이딩을 통해 클래스의 구체적인 내용을 결정해주었다. 만약 여러 사람이 함께 개발하는 경우, 공통된 속성과 기능임에도 불구하고 각각 다른 변수와 메서드로 정의되는 경우 발생할 수 있는 오류를 미연에 방지할 수 있다.

결론적으로 구체화에 반대되는 개념으로 추상화를 생각해보면, 상속계층도의 상층부에 위치할 수록 추상화의 정도가 높고 그 아래로 내려갈수록 구체화된다고 정리해 볼 수 있다. 다른 말로, 상층부에 가까울수록 더 공통적인 속성과 기능들이 정의되어 있다고 생각할 수 있다.

📌 final 키워드

영어로 ‘최종의', ‘마지막의'라는 뜻을 가지고 있는 final키워드는 필드, 지역 변수, 클래스 앞에 위치할 수 있으며 그 위치에 따라 그 의미가 조금씩 달라지게 된다.

위치	의미
클래스	변경 또는 확장 불가능한 클래스, 상속 불가
메서드	오버라이딩 불가
변수	변경이 불가한 상수

각각 조금의 차이점이 있지만 결국 공통적으로 변경이 불가능하고 확장할 수 없다는 점에서 유사하다고 할 수 있다.

아래 예제를 살펴보자.

final class FinalEx { // 확장/상속 불가능한 클래스
	final int x = 1; // 변경되지 않는 상수

	final void getNum() { // 오버라이딩 불가한 메서드
		final int localVar = x; // 상수
		return x;
	}
}

직관적이지만 위의 내용을 코드로 썼다.

위에서 설명한대로 각각의 클래스, 메서드, 그리고 변수 앞에 final 제어자가 추가되면 이제 해당 대상은 더이상 변경이 불가하거나 확장되지 않는 성질을 지니게 된다.

📌 인터페이스(Interface)

“-간/사이"를 뜻하는 inter와 “얼굴/면"을 의미하는 face의 결합으로 구성된 단어로, 두 개의 다른 대상 사이를 연결한다는 의미

비슷한 맥락에서, 컴퓨터 프로그래밍에서 사용하는 인터페이스도 “서로 다른 두 시스템, 장치, 소프트웨어 따위를 서로 이어주는 부분 또는 그런 접속 장치"라 정의할 수 있다.

일상적으로 우리가 사용하는 인터페이스의 대표적인 예로 GUI가 있다.

GUI는 Graphic User Interface의 약자로 컴퓨터를 사용할 때 입출력 등을 좀 더 효율적이고 쉽게 조작할 수 있도록 아이콘 등으로 시각화한 사용자 인터페이스이다. GUI를 통해서 사용자는 컴퓨터 내부의 어려운 컴퓨터 명령어나 복잡한 작동 원리를 깊이 이해하지 않더라도 몇 번의 마우스 클릭만으로 컴퓨터에게 원하는 작업을 수행하도록 명령할 수 있다.

자바에서의 인터페이스도 이와 유사한 기능을 가지고 있다고 할 수 있다. 자바의 인터페이스를 이해하기 위해 종종 추상 클래스와 비교하기도 한다. 기본적으로 인터페이스도 추상 클래스처럼 자바에서 추상화를 구현하는 데 활용된다는 점에서 동일하지만, 추상클래스에 비해 더 높은 추상성을 가진다는 점에서 큰 차이가 있다.

추상 클래스를 설계가 모두 끝나지 않은 “미완성 설계도"에 비유할 수 있다면, 인터페이스는 그보다 더 높은 추상성을 가지는 가장 기초적인 밑그림에 빗대어 표현할 수 있다. 추상 클래스는 메서드 바디가 없는 추상 메서드를 하나 이상 포함한다는 점 외에는 기본적으로 일반 클래스와 동일하다고 할 수 있다. 반면 인터페이스는 기본적으로 추상 메서드와 상수만을 멤버로 가질 수 있다는 점에서 추상 클래스에 비해 추상화 정도가 더 높다고 할 수 있다.

정리하자면,

추상 클래스는 추상 메서드로만 구성될 수도 있고, 추상 메서드와 구현 메서드가 함께 존재할 수 있다. 반면에 인터페이스는 순전히 상수와 추상 메서드로만 구성될 수 있다.

✔️ 인터페이스의 기본 구조

기본적으로 클래스를 작성하는 것과 유사하지만, class키워드 대신 interface 키워드를 사용한다.

또한 일반 클래스와 다르게, 내부의 모든 필드가 public static final로 정의되고, static과 default 메서드 이외의 모든 메서드가 public abstract로 정의된다는 차이가 존재한다. 다만 모든 인터페이스의 필드와 메서드에는 위의 요소가 내포되어있기 때문에 명시하지 않아도 생략이 가능하다.

아래 예제를 살펴보자.

public interface InterfaceEx {
    public static final int rock =  1; // 인터페이스 인스턴스 변수 정의
    final int scissors = 2; // public static 생략
    static int paper = 3; // public & final 생략

    public abstract String getPlayingNum();
		void call() //public abstract 생략
}

인터페이스는 interface키워드를 사용하여 만들어지고 구현부가 완성되지 않은 추상 메서드와 상수만으로 구성되어있다. 인터페이스 안에서 상수를 정의하는 경우에는 반드시 public static final로, 메서드를 정의하는 경우에는 public abstract로 정의되어야 하지만 위에서 보시는 것처럼 일부분 또는 전부 생략이 가능하다. 여기서 생략된 부분은 컴파일러가 자동으로 추가해주게 된다.

✔️ 인터페이스의 구현

인터페이스의 구현은 “구현하다"라는 의미를 가진 implements 키워드를 사용한다

class 클래스명 implements 인터페이스명 {
		... // 인터페이스에 정의된 모든 추상메서드 구현
}

특정 인터페이스를 구현한 클래스는 해당 인터페이스에 정의된 모든 추상메서드를 구현해야한다. 즉, 어떤 클래스가 특정 인터페이스를 구현한다는 것은 그 클래스에게 인터페이스의 추상 메서드를 반드시 구현하도록 강제하는 것을 의미한다.

다른말로, 어떤 클래스가 어떤 인터페이스를 구현한다는 것은 그 인터페이스가 가진 모든 추상 메서드들을 해당 클래스 내에서 오버라이딩하여 바디를 완성한다라는 의미를 가진다.

✔️ 인터페이스의 다중 구현

인터페이스는 다중적 구현이 가능하다.

자바에서 클래스 간의 상속에서 다중 상속은 허용되지 않는다. 즉 하위 클래스는 단 하나의 상위 클래스만 상속받을 수 있다.

반면 인터페이스는 다중적 구현이 가능하다. 하나의 클래스가 여러 개의 인터페이스를 구현할 수 있다. 다만 인터페이스는 인터페이스로부터만 상속이 가능하고, 클래스와 달리 Object 클래스와 같은 최고 조상이 존재하지 않는다.

class ExampleClass implements ExampleInterface1, ExampleInterface2, ExampleInterface3 {
				... 생략 ...
}

아래의 예제를 살펴보자.

interface Animal { // 인터페이스 선언. public abstract 생략 가능.
	public abstract void cry();
}

interface Pet {
	void play();
}

class Dog implements Animal, Pet { // Animal과 Pet 인터페이스 다중 구현
    public void cry(){ // 메서드 오버라이딩
        System.out.println("멍멍!");
    }

    public void play(){ // 메서드 오버라이딩
        System.out.println("원반 던지기");
    }
}

class Cat implements Animal, Pet { // Animal과 Pet 인터페이스 다중 구현
    public void cry(){
        System.out.println("야옹~!");
    }

    public void play(){
        System.out.println("쥐 잡기");
    }
}

public class MultiInheritance {
    public static void main(String[] args) {
        Dog dog = new Dog();
        Cat cat = new Cat();

        dog.cry();
        dog.play();
        cat.cry();
        cat.play();
    }
}

// 출력값
멍멍!
원반 던지기
야옹~!
쥐 잡기

위의 예제에서 확인할 수 있듯이, Dog와 Cat클래스는 각각 Animal과 Pet인터페이스를 다중으로 구현하여 각각의 객체에 맞는 메서드를 오버라이딩하고 그 내용을 출력값으로 돌려주고 있다.

그렇다면 왜 인터페이스는 클래스와 달리 다중 구현이 가능할까?

클래스에서 다중 상속이 불가능했었던 핵심적인 이유는 만약 부모 클래스에 동일한 이름의 필드 또는 메서드가 존재하는 경우 충돌이 발생하기 때문이다. 반면 인터페이스는 애초에 미완성된 멤버를 가지고 있기 때문에 충돌이 발생할 여지가 없고, 따라서 안전하게 다중 구현이 가능하다.

마지막으로, 특정 클래스는 다른 클래스로부터의 상속을 받으면서 동시에 인터페이스를 구현할 수 있다.

아래의 예시를 살펴보자.

abstract class Animal { // 추상 클래스
	public abstract void cry();
}
interface Pet { // 인터페이스
	public abstract void play();
}

class Dog extends Animal implements Pet { // Animal 클래스 상속 & Pet 인터페이스 구현
    public void cry(){
        System.out.println("멍멍!");
    }

    public void play(){
        System.out.println("원반 던지기");
    }
}

class Cat extends Animal implements Pet { // Animal 클래스 상속 & Pet 인터페이스 구현
    public void cry(){
        System.out.println("야옹~!");
    }

    public void play(){
        System.out.println("쥐 잡기");
    }
}

public class MultiInheritance {
    public static void main(String[] args) {
        Dog dog = new Dog();
        Cat cat = new Cat();

        dog.cry();
        dog.play();
        cat.cry();
        cat.play();
    }
}

// 출력값
멍멍!
원반 던지기
야옹~!
쥐 잡기

위의 코드에제에서는 기존의 Animal인터페이스를 추상 클래스로 바꾸고 Animal상위 클래스로부터 Dog 와 Cat클래스로 확장되는 것과 동시에 Pet인터페이스를 구현하도록 하여 같은 결과물이 출력되게 했다.

✔️ 인터페이스의 장점

Provider 클래스에 의존하고 있는 User클래스의 예를 들어보자.

여기서 “의존한다"라는 말의 의미를 쉽게 표현하면 User클래스에서 Provider에 정의된 특정 속성 또는 기능을 가져와 사용하고 있다는 의미이다.

아래 예제를 살펴보자.

public class InterfaceExample {
    public static void main(String[] args) {
        User user = new User(); // User 클래스 객체 생성
        user.callProvider(new Provider()); // Provider 객체 생성 후에 매개변수로 전달
    }
}

class User { // User 클래스
    public void callProvider(Provider provider) { // Provider 객체를 매개변수로 받는 callProvider 메서드
        provider.call();
    }
}

class Provider { //Provider 클래스
    public void call() {
        System.out.println("무야호~");
    }
}

// 출력값
무야호~

위의 코드를 보면, User클래스에 정의된 callProvider메서드의 매개변수로 Provider타입이 전달되어 호출되고 있는 것을 확인할 수 있다.

그런데 만약 이 코드에서 User클래스가 의존하고 있는 Provider클래스에 변경 사항이 발생해 Provider 클래스가 아닌 Provider2클래스로 교체해야하는 상황이 발생한다면 어떻게 하면 될까?

아마도 아래의 코드처럼 변경해볼 수 있을 것이다.

public class InterfaceExample {
    public static void main(String[] args) {
        User user = new User(); // User 클래스 객체 생성
        user.callProvider(new Provider2()); // Provider객체 생성 후에 매개변수로 전달
    }
}

class User { // User 클래스
    public void callProvider(Provider2 provider) { // Provider 객체를 매개변수로 받는 callProvider 메서드
        provider.call();
    }
}

class Provider2 { //Provider 클래스
    public void call() {
        System.out.println("야호~");
    }
}

// 출력값
야호~

변경된 내용을 중심으로 위의 코드를 살펴보면, 원래 Provider클래스에 의존했던 User클래스의 의존관계를 Provider2클래스로 변경하기 위해 Provider2객체를 새롭게 생성해주고, User클래스의 callProvider메서드가 동일한 타입의 매개변수를 받을 수 있도록 매개변수의 타입을 Provider2 로 변경해주었다.

요약하자면,

Provider클래스에 의존하고 있는 User클래스의 코드의 변경이 불가피하다.

사실 위의 코드 예제만 보면 별다른 큰 차이가 없어보인다. 간단한 수정만으로 원하는 결과를 도출할 수 있기 때문이다. 그러나 만약 변경해야하는 코드가 위의 예제처럼 몇 줄로 이뤄져있지 않고, 수 백 수 천 줄이 된다면 어떨까? 아마 같은 결과를 만들어내기 위해서 수 백 수 천줄에 이르는 코드 라인을 하나하나 수정해야 할 것이다. 그마저도 제대로 수정하지 않는다면 원하는 결과를 얻어내기 어렵다.

인터페이스의 가장 큰 장점 중에 하나는 앞서 봤었던 일반적인 인터페이스의 기능처럼 역할과 구현을 분리시켜 사용자 입장에서는 복잡한 구현의 내용 또는 변경과 상관없이 해당 기능을 사용할 수 있다는 점이다.

따라서 앞선 예제에서 봤었던 것과 같이 하나하나 코드를 일일이 변경해주어야 할 필요도 없어진다.

인터페이스를 코드에 적용하기 전, 적용한 모습을 도식화해보면 위의 그림처럼 나타낼 수 있다. 기존의 Provider클래스에 인터페이스라는 껍데기를 씌운 형태이다. 이제 User클래스는 더이상 Provider의 교체 또는 내용의 변경에 상관없이 인터페이스와의 상호작용을 통해서 의도한 목적을 달성할 수 있다.

인터페이스를 적용한 아래의 코드를 살펴보자.

interface Cover { // 인터페이스 정의
    public abstract void call();
}

public class Interface4 {
    public static void main(String[] args) {
        User2 user2 = new User2();
//        Provider provider = new Provider();
//        user.callProvider(new Provider());
        user.callProvider(new Provider2());
    }
}

class User {
    public void callProvider(Cover cover) { // 매개변수의 다형성 활용
        cover.call();
    }
}

class Provider implements Cover {
    public void call() {
        System.out.println("무야호~");
    }
}

class Provider2 implements Cover {
    public void call() {
        System.out.println("야호~");
    }
}

//출력값
야호~

전과 완전한 결과를 출력하고 있지만, 인터페이스를 사용해서 구현한 코드이다.

앞서 도식에서 확인했듯이, 먼저 Cover라는 인터페이스를 정의한 후에 각각의 구현체에 implements키워드를 사용하여 각각 기능을 구현하고 있다. 그리고 User클래스에서는 매개변수의 다형성을 활용하여 구체적인 구현체가 아닌 인터페이스를 매개변수로 받도록 정의했다.

이에 따라 이제 Provider 클래스의 내용 변경 또는 교체가 발생하더라도 User 클래스는 더이상 코드를 변경해주지 않아도 같은 결과를 출력해낼 수 있다.

결론적으로 정리하자면,

인터페이스는 기능이 가지는 역할과 구현을 분리시켜 사용자로 복잡한 기능의 구현이나 교체/변경을 신경쓰지 않고도 코드 변경의 번거로움을 최소화하고 손쉽게 해당 기능을 사용할 수 있도록한다.

반대로 기능을 구현하는 개발자의 입장에서도 선언과 구현을 분리시켜 개발시간을 단축할 수 있고, 독립적인 프로그래밍을 통해 한 클래스의 변경이 다른 클래스에 미치는 영향을 최소화할 수 있다는 큰 장점이 있다.

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