불변성과 제약

개요

공변성과 반공변성을 학습했으니 질문이 생깁니다: 모든 제네릭 타입에 변성을 선언할 수 있는가? 답은 “아니오”입니다.

불변성(Invariance)은 제네릭 타입 파라미터가 상속 관계를 유지하지 않는 성질입니다. out이나 in 키워드 없이 선언된 제네릭 타입은 불변입니다.

Dog : Animal  (Dog은 Animal의 하위 타입)
    ✗ 불변 (대입 불가)
List<Dog> → List<Animal>  (컴파일 에러!)

학습 목표

이 장을 완료하면 다음을 할 수 있습니다:

1. List<T>가 불변인 이유를 설명할 수 있습니다
2. sealed struct가 where 제약으로 사용 불가능한 이유를 이해할 수 있습니다
3. 인터페이스 제약으로 sealed struct의 한계를 우회하는 방법을 알 수 있습니다
4. 공변/반공변/불변의 차이를 종합적으로 비교할 수 있습니다

핵심 개념

1. List<T>는 불변

List<T>는 T를 입력(Add)과 출력(인덱서) 양쪽에서 사용하므로, out이나 in을 선언할 수 없습니다.

// 컴파일 에러! List<T>는 불변
// List<Animal> animals = new List<Dog>();

// 하지만 IEnumerable<out T>로는 가능 (공변)
List<Dog> dogs = [new Dog("Buddy")];
IEnumerable<Animal> animals = dogs;  // OK

2. sealed struct의 제약 한계

LanguageExt의 Fin<T>는 sealed struct입니다. C#에서 sealed struct는 where 제약 조건으로 사용할 수 없습니다.

다음 코드에서 주목할 점은 where TResponse : Fin<T> 제약이 컴파일 에러를 발생시킨다는 것입니다:

// 이것은 불가능합니다!
// where TResponse : Fin<T>  // 컴파일 에러!

// Fin<T>는 직접 파라미터 타입으로만 사용 가능
public static string ProcessFin(Fin<string> fin) =>
    fin.Match(
        Succ: value => $"Success: {value}",
        Fail: error => $"Fail: {error}");

3. 인터페이스 제약으로 우회

sealed struct 제약의 한계를 인터페이스로 우회할 수 있습니다. 인터페이스는 where 제약 조건으로 사용 가능합니다.

public interface IResult
{
    bool IsSucc { get; }
    bool IsFail { get; }
}

// 인터페이스 제약은 가능
public static string ProcessResult<T>(T result) where T : IResult
{
    return result.IsSucc ? "Success" : "Fail";
}

FAQ

Q1: List<T>를 IEnumerable<T>로 대입하면 공변이 되는데, 이것으로 충분하지 않나요?

A: 읽기만 필요한 경우에는 IEnumerable<out T>로 충분합니다. 하지만 Pipeline에서는 응답 타입을 통해 팩토리 메서드 호출(CreateFail)이나 상태 읽기(IsSucc)가 필요합니다. 이를 위해서는 전용 인터페이스를 설계하여 where 제약으로 사용해야 합니다.

Q2: sealed struct가 where 제약으로 사용 불가능한 것은 C# 언어의 제한인가요?

A: 네. C#에서 struct는 상속이 불가능하므로 where T : SomeStruct 형태의 제약을 허용하지 않습니다. sealed 여부와 무관하게 모든 struct가 이 제한을 받습니다. 이것이 Fin<T>를 직접 제약으로 사용할 수 없는 근본적인 이유입니다.

Q3: 인터페이스 제약으로 우회하면 성능 오버헤드가 있나요?

A: 인터페이스를 구현하는 record나 class의 경우 가상 메서드 호출(virtual dispatch) 비용이 발생하지만, 리플렉션에 비하면 무시할 수 있는 수준입니다. 또한 JIT 컴파일러의 최적화(devirtualization)로 인해 실제 성능 차이는 거의 없습니다.

프로젝트 구조

03-Invariance-And-Constraints/
├── InvarianceAndConstraints/
│   ├── InvarianceAndConstraints.csproj
│   ├── InvarianceExamples.cs
│   └── Program.cs
├── InvarianceAndConstraints.Tests.Unit/
│   ├── InvarianceAndConstraints.Tests.Unit.csproj
│   ├── xunit.runner.json
│   └── InvarianceAndConstraintsTests.cs
└── README.md

실행 방법

# 프로그램 실행
dotnet run --project InvarianceAndConstraints

# 테스트 실행
dotnet test --project InvarianceAndConstraints.Tests.Unit

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인터페이스를 읽기/쓰기/팩토리로 분리하면 각각에 적절한 변성을 부여할 수 있습니다. ISP와 변성의 결합, 그리고 CRTP 팩토리 패턴을 학습합니다.

→ 1.4장: 인터페이스 분리와 변성 조합