Polymorphism
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Polymorphism?
다형성(Polymorphism)이란 하나의 symbol(객체, 함수, 메소드, 변수, 상수 등)이 여러 개의 type을 가질 수 있도록 허용하는 언어상의 특성이다.
이를 크게 4가지 종류로 구분할 수 있다.
1. Ad-hoc polymorphism
Ad-hoc polymorphism이란 하나의 함수가 다양한 종류의 parameter에 대해 동작할 수 있는 특성이다. 단, 함수는 서로 다른 parameter 종류에 대해 다르게 동작하며, 이러한 동작을 일일이 추가해 주어야 한다. 따라서 Ad-hoc이라 불리는 것이다.
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int add(int a, int b) {
return a + b;
}
string add(string a, string b) {
return a.append(b);
}
- C++의 function overloading
함수 add는 아래의 2가지 타입이 될 수 있다.
- int, int -> int
- string, string -> string
따라서 add는 polymorphic function이다.
2. Parametric polymorphism
Parametric polymorphism은 하나의 함수가 generic한 data type을 지닌 parameter에 대해 동작할 수 있는 특성이다. 이 경우, 함수는 parameter의 실제 type과 관계없이 동일하게 동작한다.
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template <typename T>
T add(T a, T b) {
return a + b;
}
- C++에서의 function template
파라미터 a와 b는 int, float, string 등 다양한 type이 될 수 있다. 함수 add도 polymorphic한 parameter에 따라 여러 type을 가진다. 따라서 add는 (parametrically) polymorphic function이다.
3. Subtype polymorphism
임의의 type A와 B가 있다고 하자. 또한 A type의 데이터를 B type의 데이터로 치환시켜도 어느 상황에서도 어떤 식으로든 동작한다고 하자. 이 경우 B는 A의 subtype이라고 칭하며, B type의 데이터는 A type에도 함께 속한 것으로 간주할 수 있다.
Subtype polymorphism이란 이와 같이 subtyping을 구현해 데이터가 여러 개의 type을 지닐 수 있게끔 한 특성이다.
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class Animal {
public:
virtual void makeSound() {
cout << "The animal makes a sound" << endl;
}
};
class Dog : public Animal {
public:
void makeSound() override {
cout << "The dog barks" << endl;
}
};
int main() {
Dog dog;
Animal* animal = &dog;
animal->makeSound();
return 0;
}
- C++에서의 상속
Dog class는 Animal class로부터 상속받았으므로 Animal class의 인터페이스를 그대로 가진다. 따라서 Animal class의 객체는 모두 Dog class의 객체로 대체될 수 있으므로 Dog type은 Animal type의 subtype이다.
나아가 Dog class에 속한 객체 dog는 Dog type과 Animal type 둘 다 가진 것으로 간주되므로 polymorphic하다. 그렇기에 Animal type 포인터가 dog를 가리키고 있을 수 있는 것이다.
4. Coercion polymorphism
Coercion polymorphism은 특정 type과 대응하는 type conversion function을 두어 하나의 데이터가 여러개의 type으로 변환될 수 있게끔 한다. 이 역시 subtype 관계가 형성되므로 subtype polymorphism의 일종으로 볼 수 있겠지만 일반적으로 상속을 통한 subtyping만을 subtype polymorphism으로 부르는 듯 하다.
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class A {
public:
operator int() {
return 1;
}
};
int main() {
A a;
int i = a;
return 0;
}
- C++에서의 user-defined type conversion
class A의 인스턴스인 a는 사용자가 정의한 type conversion method으로 인해 int type으로 변환될 수 있다. 따라서 a는 A type과 int type을 지닌 것으로 간주되므로 polymorphic 하다.
보너스: subtyping vs inheritance
type은 객체의 interface에 집중하고, subtyping은 다형성을 통해 클래스 외부의 코드 재사용성을 높여준다.
class는 객체의 implementation에 집중하고, inheritance는 구현의 공유를 통해 클래스 내부의 코드 재사용성을 높여준다.
A가 B의 subtype이라 해도, A가 B를 상속하지 않을 수도 있다.
파이썬의 duck typing과 C++에서의 user-defined type conversion이 그 예이다.
또한 굳이 클래스가 아니더라도 primitive 데이터타입들 간에 subtype 관계가 있을 수 있다. Julia는 이를 명시적으로 보여주는 언어이다.A가 B를 상속한다 해도 A가 B의 subtype이 아닐 수도 있다.
A가 B의 메소드 전체를 상속받지 않거나 일부 메소드의 parameter 혹은 return type를 다형성이 깨지도록 override하면 subtype 관계가 아니게 된다.
예를 들어, C++의 private 상속은 superclass의 공개 메소드를 숨기므로 subtyping이 일어나지 않는다. Eiffel이나 Dart의 경우에는 메소드 override 시 parameter를 더 ‘자세한’ type으로 변경이 가능하게끔 한다. 따라서 subtype 관계가 형성되지 않고, 만약 그래도 다형성을 보장한다면 type safe하지 않게 된다.
따라서 둘은 서로 독립적인 개념이다.
참고자료
https://en.wikipedia.org/wiki/Polymorphism_(computer_science)
https://en.wikipedia.org/wiki/Subtyping
https://en.wikipedia.org/wiki/Covariance_and_contravariance_(computer_science)
https://www.cs.princeton.edu/courses/archive/fall98/cs441/mainus/node12.html