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제네릭 컬렉션
제네릭과 제네릭 컬렉션 개요

제네릭과 제네릭 컬렉션 개요

프로그래밍에서 제네릭은 코드의 재사용성과 안전성을 높이기 위해 매우 중요한 개념입니다. .NET에서 제네릭Generic은 특정 데이터 타입에 구애받지 않고 동작하는 일반화된 클래스나 메서드를 정의할 수 있게 해줍니다. 이를 통해 코드 중복을 줄이고 타입 안전성을 강화할 수 있습니다.

제네릭의 필요성

제네릭의 개념은 코드의 재사용성과 타입 안전성을 강화하기 위한 필요에서 발전되었습니다. .NET Framework 1.0에서는 비제네릭 컬렉션(ArrayList, Hashtable 등)을 사용했지만, 이러한 컬렉션은 데이터가 object 타입으로 저장되어 타입 안전성을 보장하지 못하고, 값 타입을 저장할 때 박싱과 언박싱이 발생하여 성능 저하가 있었습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 .NET Framework 2.0에서 제네릭이 도입되었으며, 이를 통해 데이터 타입을 명시적으로 지정할 수 있게 되어 성능과 안전성 모두가 향상되었습니다.

제네릭의 개념

제네릭은 타입 매개변수Type Parameter를 사용하여 특정 데이터 타입에 구애받지 않는 클래스나 메서드를 정의하는 것을 의미합니다. 타입 매개변수는 클래스나 메서드를 정의할 때 타입을 미리 지정하지 않고, 나중에 사용할 때 구체적인 타입을 지정할 수 있는 ‘미지정 타입’입니다. 이를 통해 동일한 로직을 다양한 데이터 타입에 적용할 수 있습니다. 타입 매개변수의 원형은 보통 T로 표기되며, TKey, TValue와 같이 의미를 명확히 하기 위해 다른 이름으로도 사용할 수 있습니다. 이 매개변수는 클래스나 메서드를 사용할 때 구체적인 타입으로 대체됩니다. 예를 들어, List는 타입 매개변수 T를 사용하여(List<T>) 다양한 데이터 타입을 저장할 수 있습니다.

List<int> numbers = new List<int>();
numbers.Add(1);
numbers.Add(2);
numbers.Add(3);
List<string> words = new List<string>();
words.Add("hello");
words.Add("world");

위의 예제에서 List<int>는 정수를 저장하고, List<string>은 문자열을 저장하도록 정의되어 있습니다. 제네릭을 사용하면 타입에 구애받지 않고도 안전하게 데이터를 관리할 수 있는 유연한 방법을 제공합니다.

제네릭의 특성

타입 안전성 강화

제네릭을 사용하면 특정 타입을 명시적으로 지정할 수 있으므로, 컴파일 타임에 타입 검사를 수행하여 런타임 오류를 방지할 수 있습니다. 예를 들어, List<int>에 문자열을 추가하려고 하면 컴파일 오류가 발생합니다. 이는 잘못된 타입 사용을 사전에 방지하여 프로그램의 안정성을 높이는 데 기여합니다.

List<int> numbers = new List<int>();
// numbers.Add("hello"); // 컴파일 오류 발생

타입 제약 조건 설정

제네릭에서는 타입 매개변수에 제약 조건Constraints을 설정하여 사용할 수 있는 타입을 제한할 수 있습니다. 이를 통해 제네릭 클래스나 메서드 내에서 해당 타입의 특성을 안전하게 사용할 수 있습니다.

기본 제약 조건

  • where T : class - T는 참조 타입이어야 합니다.
  • where T : struct - T는 값 타입이어야 합니다.
  • where T : new() - T는 매개변수가 없는 기본 생성자가 있어야 합니다.
  • where T : BaseClass - T는 BaseClass이거나 그 파생 클래스여야 합니다.
  • where T : Interface - T는 Interface를 구현해야 합니다. 예를 들어
public class Repository<T> where T : class, new()
{
    public T CreateInstance()
    {
        return new T();
    }
}

위 코드에서는 T가 참조 타입이면서 매개변수가 없는 기본 생성자가 있어야 함을 제약하고 있습니다.

public T Max<T>(T a, T b) where T : IComparable<T>
{
    return a.CompareTo(b) > 0 ? a : b;
}

위 코드에서는 T가 IComparable<T> 인터페이스를 구현해야 한다는 제약 조건을 두고 있습니다. 따라서 IComparable<T>를 구현한 타입에 대해서만 동작하며, 두 값 중 큰 값을 반환합니다.

제네릭 메서드

제네릭은 클래스뿐만 아니라 메서드에서도 사용할 수 있습니다. 메서드에 제네릭을 사용하면 메서드 단위로 타입 매개변수를 지정할 수 있습니다.

public void Swap<T>(ref T a, ref T b)
{
    T temp = a;
    a = b;
    b = temp;
}

위 메서드는 두 변수의 값을 교환하는 기능을 하며, 어떤 타입이든 사용할 수 있습니다.

박싱과 언박싱 문제 해결

비제네릭 컬렉션에서 값 타입을 저장할 때 발생하는 박싱Boxing과 언박싱Unboxing은 불필요한 메모리 할당과 해제를 유발하여 성능 저하를 일으킵니다. 그러나 제네릭을 사용하면 이러한 박싱과 언박싱이 필요 없으므로 메모리 사용 효율이 높아지고, 성능이 향상됩니다.

비제네릭 사용 시 

ArrayList list = new ArrayList();
list.Add(42); // 박싱 발생
int value = (int)list[0]; // 언박싱 발생

제네릭 사용 시 

List<int> list = new List<int>();
list.Add(42); // 박싱 없음
int value = list[0]; // 언박싱 없음

코드 재사용성

제네릭을 사용하면 같은 로직을 다양한 타입에 적용할 수 있어 코드 중복을 줄이고 코드 재사용성을 높일 수 있습니다. 예를 들어, 같은 기능을 수행하는 메서드를 여러 데이터 타입에 대해 작성할 필요 없이, 제네릭을 통해 타입에 상관없이 동일한 로직을 적용할 수 있습니다.

public class Stack<T>
{
    private T[] elements;
    private int position = 0;
    public Stack(int size)
    {
        elements = new T[size];
    }
    public void Push(T item)
    {
        elements[position++] = item;
    }
    public T Pop()
    {
        return elements[--position];
    }
}

위의 Stack<T> 클래스는 어떤 타입의 데이터든 스택으로 관리할 수 있습니다.

제네릭 컬렉션의 종류와 특징

.NET에서 자주 사용되는 제네릭 컬렉션은 다음과 같습니다.

  • List : 가변 크기의 배열과 같은 기능을 제공하며, 삽입, 삭제, 검색이 매우 용이합니다.
  • Dictionary : 키-값 쌍으로 데이터를 관리하는 해시 테이블 기반의 컬렉션으로, 빠른 검색과 추가가 가능하여 빠른 데이터 매핑에 적합합니다.
  • Queue : FIFOFirst In First Out 방식으로 데이터를 관리하는 컬렉션으로, 데이터를 순차적으로 처리하는 데 유용합니다.
  • Stack : LIFOLast In First Out 방식으로 데이터를 관리하는 컬렉션으로, 후입선출 방식의 데이터 관리에 사용됩니다.
  • HashSet : 중복을 허용하지 않는 데이터의 집합으로, 고유한 데이터 관리에 적합합니다.

제네릭 컬렉션 사용 시 유의사항

스레드 안전성

제네릭 컬렉션은 스레드 안전하지 않으므로 다중 스레드 환경에서 동기화가 필요합니다. List<T>의 경우를 예로 들면 다음과 같습니다.

private static List<int> sharedList = new List<int>();
private static readonly object lockObject = new object();
static void AddToSharedList(int value)
{
    lock (lockObject)
    {
        sharedList.Add(value);
    }
}

Dictionary<TKey, TValue> 의 경우는 다음과 같습니다.

private static Dictionary<int, string> sharedDictionary = new Dictionary<int, string>();
private static readonly object lockObject = new object();
static void AddToSharedDictionary(int key, string value)
{
    lock (lockObject)
    {
        sharedDictionary[key] = value;
    }
}

그러나 .NET에서는 다중 스레드 환경에서 안전하게 사용할 수 있는 스레드 안전한 컬렉션을 제공하고 있습니다.

스레드 안전한 컬렉션

컬렉션 초기 용량 설정

제네릭 컬렉션의 초기 용량 설정 을 참조하세요

공변성과 반공변성

제네릭은 인터페이스와 델리게이트에서 공변성Covariance과 반공변성Contravariance을 지원합니다. 이는 제네릭 타입 매개변수가 상속 관계를 따를 때 캐스팅을 허용하는 기능입니다.

공변성

  • 정의: 제네릭 인터페이스나 델리게이트에서 아웃풋 위치의 타입 매개변수가 변환될 때 사용됩니다.
  • 예시: IEnumerable<out T>는 공변성을 지원하여 IEnumerable<string>을 IEnumerable<object>로 캐스팅할 수 있습니다.
IEnumerable<string> strings = new List<string>();
IEnumerable<object> objects = strings; // 허용됨

반공변성

  • 정의: 제네릭 인터페이스나 델리게이트에서 인풋 위치의 타입 매개변수가 변환될 때 사용됩니다.
  • 예시: IComparer<in T>는 반공변성을 지원하여 IComparer<object>를 IComparer<string>으로 캐스팅할 수 있습니다.
IComparer<object> objectComparer = ...;
IComparer<string> stringComparer = objectComparer; // 허용됨
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