타입스크립트의 공변성과 함수 매개변수 타입의 이변성

공변성과 반공변성이란

• 집합 관계로서 공변성, 반공변성, 이변성, 무공변성 정리

  • 공변성(Covariance): A ⊂ B일 때 T<A> ⊂ T<B>인 경우
  • 반공변성(Contravariance): A ⊂ B일 때 T<A> ⊃ T<B> 인 경우
  • 이변성(Bivariance): A ⊂ B일 때 T<A> ⊂ T<B>도 되고  T<A> ⊃ T<B>도 되는 경우
  • 무공변성(Invariance): A ⊂ B더라도 T<A> ⊂ T<B>도 안 되고 T<A> ⊃ T<B>도 안 되는 경우

• 공변성: A ⊂ B일 때 T<A> ⊂ T<B>인 경우

  • A가 B의 서브타입일 때, T<A> 가 T<B> 의 서브타입이 된다면, T를 공변적이라고 부른다.
  • 조금 더 풀어 설명하자면, A타입이 B타입에 포함될 때, A타입이 인자로 전달된 제네릭 타입(T<A>)이 B타입이 인자로 전달된 제네릭 타입(T<B>)에 포함되는 것을 공변성이라 한다.

• 반공변성: A ⊂ B일 때 T<A> ⊃ T<B> 인 경우

  • 반면, 제네릭 타입이 그 반대의 포함 관계가 되는 것은 반공변성이라 한다.

서브타입과 슈퍼타입

• 다른 한 타입을 포함하는 타입을 슈퍼타입(supertype)이라고 하고, 슈퍼타입에 포함되는 타입을 서브타입(subtype)이라고 말한다. 구조적 타입 시스템(structural type system)을 가진 타입스크립트의 경우, 한 타입이 다른 한 타입의 값을 모두 포함하고 있으면 그 타입을 포함한다고 한다.

아래 코드에 대한 typescript playground

type Supertype = string | number
type Subtype = string

let subtypeArray: Array<Subtype> = []
let supertypeArray: Array<Supertype> = []

supertypeArray = subtypeArray // OK : 공변성, Array<Subtype>) ⊂ Array<Supertype>
subtypeArray = supertypeArray // Type Error, Type '(string | number)[]' is not assignable to type 'string[]'.

• 기본적으로 타입스크립트의 모든 복합타입 멤버는 공변성을 갖고 있다.

함수 매개변수 타입은 기본적으로 이변성

유일하게 함수 매개변수 타입만 반공변성도 갖고 있어 공변성과 반공변성이 모두 있는 이변성이다.

함수의 매개변수 타입에 반공변성 특성도 있는 이유

슈퍼타입과 서브타입을 함수의 매개변수 타입으로 전달해서 생긴 각각의 함수 호출 시그니처의 개수는 슈퍼타입이 서브타입보다 많다. 그리고 함수 호출 시그니처의 개수가 많을수록(오버로드) 그 타입은 더 좁아진다. 함수 호출 시그니처들이 오버로드될수록 함수의 타입이 더 좁아진다.

따라서, 함수의 매개변수 타입은 서브타입으로 생긴 함수 호출 시그니처가 슈퍼타입으로 생긴 함수 호출 시그니처를 포함하는 반공변성이 형성된다.

아래 코드에 대한 typescript playground

type Supertype = string | number
type Subtype = number
type Print<T> = (param: T) => void

let printSuper: Print<Supertype> = param => {
	console.log(param)
}

let printSub: Print<Subtype> = param => {
	console.log(param)
}

printSuper = printSub // TypeError, Type 'Print<number>' is not assignable to type 'Print<string | number>'.
printSub = printSuper // OK : 반공변성, Print<Subtype> ⊃ Print<Supertype>

함수의 매개변수 타입은 왜 이변성인가?

해당 질문에 대한 답은 타입스크립트 FAQ를 번역함. https://github.com/Microsoft/TypeScript/wiki/FAQ#why-are-function-parameters-bivariant

function trainDog(d: Dog) { ... }
function cloneAnimal(source: Animal, done: (result: Animal) => void): void { ... }
let c = new Cat();

// 런타임에 에러가 발생한다. trainDog의 인자에 Cat을 전달하여 호출했기 때문이다.
cloneAnimal(c, trainDog);

위와 같은 코드는 명시적인 공변성/ 반공변성 타입 선언의 부재로 인해 발생하는 불건전성을 보여준다. 타입스크립트의 이러한 생략으로 인해, (x: Dog) => void 가 (x: Animal) => void 에 할당 가능한지 물었을 때 더 허용하게 된다.

왜 이러한지 이해하기 위해, 두 가지 질문을 고민해보자.

• 1 Dog[]는 Animal[]의 서브타입인가?
• 2 타입스크립트에서 Dog[]은 Animal[]의 서브타입이어야 하는가?

두 번째 질문은 분석하기 더 쉽다. 만약 해당 질문에 답변이 거짓이라면 어떠한가?

function checkIfAnimalsAreAwake(arr: Animal[]) { ... }

let myPets: Dog[] = [spot, fido];

// 에러인가? Dog[]가 Animal[]을 대체할 수 없는가?
checkIfAnimalsAreAwake(myPets);

그렇다면 너무 성가실 것이다. 위 코드는 checkIfAnimalsAreAwake 함수가 인자인 array를 수정하지 않는다는 전제 하에 100% 정확하다. Dog[] 가 Animal[] 대신 사용될 수 없다는 이유로 이러한 함수를 거절하는 것은 좋은 이유가 아니다. - 여기서 Dogs 그룹은 명백히 Animals 그룹이다.

첫 번째 질문으로 돌아가보자. 타입 시스템이 Dog[]가 Animal[]의 서브타입인지 아닌지 결정할 때, 다음과 같은 연산을 하게 된다(컴파일러가 최적화에 대한 고려를 하지 않는 전제하에 작성된 예시).

• Dog[]가 Animal[]에 할당 가능한가?

• Dog[]의 각각의 멤버가 Animal[]에 할당 가능한가?

  • Dog[].push 가 Animal[].push에 할당 가능한가?

    • (x: Dog) => number 타입이 (x: Animal) => number 타입에 할당 가능한가?

      • (x: Dog) => number의 첫 번째 매개변수 타입과 (x: Animal) => number의 첫 번째 매개변수 타입이 서로 할당 가능한가?

        • Dog와 Animal이 서로 할당 가능한가?

          • Yes

위에서 본 것처럼, 타입 시스템은 ”(x: Dog) => number 타입이 (x: Animal) => number 타입에 할당 가능한가?”를 반드시 물어야 한다. 이는 원래 질문을 위해 타입스크립트가 물어야 하는 질문이다. 만약 타입스크립트가 반공변성만을 함수 매개변수에 강제화했다면, Dog[]는 Animal[] 에 할당할 수 없었을 것이다.

요약하자면, 타입스크립트의 타입 시스템에서, “더 구체적인 타입을 허용하는 함수가 덜 구체적인 타입을 허용하는 함수에 할당할 수 있냐”는 질문은 “더 구체적인 타입의 array가 덜 구체적인 타입의 array에 할당할 수 있는지”에 대한 선결 질문을 통해 답변이 된다. 후자가 참이 아니라면, 대부분의 경우에는 수용할 수 없는 타입 시스템이 되므로, 함수 매개변수의 타입은 특정 경우에서 정확성에 대한 트레이드 오프를 수용해야 한다.

strictFunctionTypes check

타입스크립트에서 strictFunctionTypes 설정이 꺼져있는 기본 모드에서는 이러한 함수 매개변수의 이변성을 다음 예제코드에서와 같이 확인할 수 있다.

아래 코드에 대한 typescript playground

// strictFunctionTypes: off
function fn(x: string) {
	console.log("Hello, " + x.toLowerCase())
}

type StringOrNumberFunc = (ns: string | number) => void

// Unsafe assignment
let func: StringOrNumberFunc = fn

func(10) // Unsafe call - 런타임에서 충돌 발생하게 됨

타입스크립트 설정에서 strictFunctionTypes 설정을 켜면 공변성이 제거되고 반공변성만 남는다. 그리고 이전 예제처럼 타입선언을 했을 때 이제는 타입에러가 검출되어 불안전한 할당을 방지할 수 있게 된다.

아래 코드에 대한 typescript playground

// strictFunctionTypes: on
function fn(x: string) {
	console.log("Hello, " + x.toLowerCase())
}

type StringOrNumberFunc = (ns: string | number) => void

// Unsafe assignment is prevented
let func: StringOrNumberFunc = fn // Type '(x: string) => void' is not assignable to type 'StringOrNumberFunc'. Types of parameters 'x' and 'ns' are incompatible. Type 'string | number' is not assignable to type 'string'. Type 'number' is not assignable to type 'string'.

하지만 strictFunctionTypes 설정이 켜져있어도, 함수 타입을 method 구문으로 쓰면, 그 함수는 다시 이변성으로 작동한다.

• Method Type Signature

  • method 구문의 함수

    interface Array<T> {
    	push(...items: T[]): number
    }

  • function 구문의 함수

    interface Array<T> {
    	push: (...items: T[]) => number
    }

아래 예제에서, 슈퍼타입의 함수 호출 시그니처에 서브타입의 함수 호출 시그니처를 할당한 것은, 논리적으로 따지면 반공변성에 따라 타입에러가 존재해야 한다. 하지만 method 구문 함수는 strictFunctionTypes 설정을 켜더라도 타입스크립트 설계상 이변성이라서, 해당 타입에러가 감지되지 않는 문제가 있다.

아래 코드에 대한 typescript playground

type Supertype = string | number
type Subtype = string

type Methodish = {
	func(x: Supertype): void
}

function subFn(x: Subtype) {
	console.log("Hello, " + x.toLowerCase())
}

// Ultimately an unsafe assignment, but not detected
const m: Methodish = {
	func: subFn, // 슈퍼타입의 함수호출시그니처에 서브타입의 함수호출시그니처를 할당한 것은, 반공변성에 따르면 타입에러가 존재해야 한다. 하지만 method 구문 함수는 이변성이므로 해당 타입에러가 감지되지 않는 문제가 있다.
}
m.func(10)

따라서 특별히 이변성이 필요한 경우가 아니라면, 함수 타입을 method 구문이 아닌 function 구문으로 써서 반공변성으로 동작하게 하는 것이 적절하다.

strictFunctionTypes 설정을 켜도 method 구문으로 작성된 함수의 매개변수 타입이 이변성인 이유

타입스크립트에서 strictFunctionTypes 기능을 개발할 때, DOM의 일부를 포함하여 본질적으로 안전하지 않은 class 계층 구조를 많이 발견했다고 한다. 만약, method 구문 함수에도 엄격한 검사를 적용했다면 상당히 많은 제네릭 타입이 무공변성이 되는 엄청난 브레이킹 체인지가 발생했을 것이다. 따라서 이처럼 method 구문 함수에서 무공변성이 되지 않도록, 이변성이라는 약간의 불건전성을 용인한 것으로 보인다.

즉, method 구문 함수는 제네릭 클래스나 제네릭 인터페이스(예를 들어 Array<T>)의 반공변적인 관계를 유지하게 하기 위해 strictFunctionTypes 검사 기능에서 의도적으로 배제됐다.

이로 인해, strictFunctionTypes 검사 기능은 method 구문 으로 작성된 함수에는 적용하지 않고 function 구문으로 작성된 함수에만 적용했다고 한다.

참고: Typescript PR: Strict function types #18654

그러나 method 구문 함수를 이변적으로 동작하도록 만들어야 할 일은 거의 없을 것이다. 따라서 반공변적으로 동작할 수 있는 메서드의 타입 정의에도 function 구문 함수 작성 방식을 사용하는 것이 타입 안전성 측면에서 더 좋다.

이를 위해 function 구문 함수를 메서트 타입 정의 시 사용하도록 도와주는 ESLint의 method-signature-style rule을 활성화하는 것도 좋은 방법이다.