F# 업캐스팅과 다운캐스팅

F# 업캐스팅과 다운캐스팅 (Upcasting and Downcasting)

객체 지향 프로그래밍에서 객체 계층 구조 사이의 형식 변환은 아주 기본적인 작업이에요. F#에서는 객체 참조를 계층의 '위'로 올리는 캐스팅(업캐스팅)을 :> 연산자로, 계층의 '아래'로 내리는 캐스팅(다운캐스팅)을 :?> 연산자로 다뤄요. 이 글에서는 이 두 캐스팅이 언제 안전하고 언제 조심해야 하는지, 그리고 어떤 상황에서 형식이 자동으로 캐스팅되는지를 하나씩 살펴볼게요.

출처: Casting and conversions - F# | Microsoft Learn

본문

캐스팅: 객체 형식 변환

객체 계층 구조 사이의 형식 변환에는 두 가지 기본 유형이 있어요. 하나는 계층을 위로 올리는 캐스팅(업캐스팅), 다른 하나는 계층을 아래로 내리는 캐스팅(다운캐스팅)이죠.

업캐스팅은 파생(derived) 객체 참조를 기본(base) 객체 참조로 바꾸는 걸 말해요. 기본 클래스가 파생 클래스의 상속 계층 안에 있기만 하면 이 캐스팅은 반드시 성공해요. 반면 다운캐스팅, 즉 기본 객체 참조를 파생 객체 참조로 바꾸는 것은 객체가 실제로 목표(파생) 형식의 인스턴스이거나 목표 형식에서 파생된 형식의 인스턴스일 때만 성공해요.

F#은 이런 변환을 위한 연산자를 제공해요. :> 연산자가 계층을 위로 캐스팅하고, :?> 연산자가 계층을 아래로 캐스팅해요.

업캐스팅

많은 객체 지향 언어에서는 업캐스팅이 묵시적으로 일어나요. F#은 규칙이 조금 달라요. 객체 형식의 메서드에 인자를 넘길 때는 업캐스팅이 자동으로 적용되지만, 모듈 안의 let 바인딩 함수에서는 매개 변수 형식이 유연한 형식(flexible type)으로 선언되지 않는 한 자동으로 일어나지 않아요. 자세한 내용은 Flexible Types에서 다룰게요.

:> 연산자는 정적(static) 캐스트를 수행해요. 즉 캐스트의 성공 여부가 컴파일 시점에 결정되죠. :>를 쓰는 캐스트가 컴파일을 통과했다면 그건 유효한 캐스트라서 실행 시점에 실패할 일이 없어요.

이런 변환에는 upcast 연산자를 쓸 수도 있어요. 다음 식은 계층을 위로 올리는 변환을 나타내요.

upcast expression

upcast 연산자를 쓰면 컴파일러가 문맥에서 변환할 대상 형식을 추론하려고 해요. 대상 형식을 정하지 못하면 오류를 알리고, 이때는 형식 주석(type annotation)이 필요할 수 있어요.

다운캐스팅

:?> 연산자는 동적(dynamic) 캐스트를 수행해요. 이 말은 캐스트의 성공 여부가 실행 시점에 결정된다는 뜻이에요. :?>를 쓰는 캐스트는 컴파일 시점에 검사되지 않고, 실행 시점에 지정된 형식으로 캐스팅을 시도해요. 객체가 대상 형식과 호환되면 캐스트는 성공하고, 호환되지 않으면 런타임이 InvalidCastException을 던져요.

동적 형식 변환에는 downcast 연산자를 쓸 수도 있어요. 다음 식은 프로그램 문맥에서 추론된 형식으로 계층을 아래로 내리는 변환을 나타내요.

downcast expression

upcast 연산자와 마찬가지로, 컴파일러가 문맥에서 특정 대상 형식을 추론하지 못하면 오류를 알리고, 이때는 형식 주석이 필요할 수 있어요.

다음 코드는 :>와 :?> 연산자의 사용법을 보여줘요. 이 코드는 :?> 연산자가 변환이 성공할 거라고 확신할 때 가장 적합하다는 점을 강조해요. 변환이 실패하면 InvalidCastException을 던지니까요. 변환이 성공할지 확신이 없다면 match 식을 쓰는 형식 테스트(type test)가 더 나아요. 예외를 생성하는 부담을 피할 수 있으니까요.

type Base1() =
    abstract member F : unit -> unit
    default u.F() =
     printfn "F Base1"

type Derived1() =
    inherit Base1()
    override u.F() =
      printfn "F Derived1"

let d1 : Derived1 = Derived1()

// Upcast to Base1.
let base1 = d1 :> Base1

// This might throw an exception, unless
// you are sure that base1 is really a Derived1 object, as
// is the case here.
let derived1 = base1 :?> Derived1

// If you cannot be sure that b1 is a Derived1 object,
// use a type test, as follows:
let downcastBase1 (b1 : Base1) =
   match b1 with
   | :? Derived1 as derived1 -> derived1.F()
   | _ -> ()

downcastBase1 base1

downcast와 upcast 같은 제네릭 연산자는 인자 형식과 반환 형식을 결정하기 위해 형식 추론에 의존해요. 그래서 앞의 코드 예제에서 let base1 = d1 :> Base1을 let base1: Base1 = upcast d1로 바꿔 쓸 수 있어요.

형식 주석이 필요한 이유는, upcast만으로는 기본 클래스를 결정할 수 없기 때문이에요.

묵시적 업캐스팅 변환

묵시적 업캐스팅은 다음 상황에서 삽입돼요.

알려진 명명된 형식을 가진 함수나 메서드에 매개 변수를 제공할 때. 계산 식(computation expression)이나 슬라이싱 같은 구성이 메서드 호출이 되는 경우도 포함해요.
알려진 명명된 형식을 가진 레코드 필드나 속성에 값을 할당하거나 변경할 때.
if/then/else나 match 식의 한 분기가 다른 분기나 전체적으로 알려진 형식에서 비롯된 알려진 대상 형식을 가질 때.
목록, 배열, 시퀀스 식의 요소가 알려진 대상 형식을 가질 때.

예를 들어 다음 코드를 볼게요.

open System
open System.IO

let findInputSource () : TextReader =
    if DateTime.Now.DayOfWeek = DayOfWeek.Monday then
        // On Monday a TextReader
        Console.In
    else
        // On other days a StreamReader
        File.OpenText("path.txt")

여기서 조건식의 분기는 각각 TextReader와 StreamReader를 계산해요. 두 번째 분기에서 알려진 대상 형식은 메서드의 형식 주석과 첫 번째 분기에서 비롯된 TextReader예요. 그래서 두 번째 분기에는 업캐스팅이 필요 없어요.

묵시적 업캐스팅이 추가로 사용되는 지점마다 경고를 보고 싶다면 경고 3388(/warnon:3388 또는 속성 3388)을 켜면 돼요.

F# 업캐스팅과 다운캐스팅