C++ Type Erasure | "타입 지우기" 패턴 가이드

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C++ Type Erasure | "타입 지우기" 패턴 가이드

이 글의 핵심

Type Erasure (타입 소거) 는 타입 정보를 숨기고 통일된 인터페이스로 다양한 타입을 처리하는 디자인 패턴입니다. 상속 없이도 다형성을 구현할 수 있으며, std::any, std::function 등이 이 패턴을 사용합니다.

Type Erasure란?

Type Erasure (타입 소거) 는 타입 정보를 숨기고 통일된 인터페이스로 다양한 타입을 처리하는 디자인 패턴입니다. 상속 없이도 다형성을 구현할 수 있으며, std::any, std::function 등이 이 패턴을 사용합니다.

#include <any>
#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    any a = 10;
    cout << any_cast<int>(a) << endl;  // 10
    
    a = 3.14;
    cout << any_cast<double>(a) << endl;  // 3.14
    
    a = string("Hello");
    cout << any_cast<string>(a) << endl;  // Hello
}

왜 필요한가?:

  • 상속 불필요: 기존 타입을 수정하지 않고 다형성 구현
  • 유연성: 컴파일 타임에 타입을 알 수 없을 때
  • 디커플링: 타입 간 의존성 제거
  • 재사용성: 다양한 타입에 대해 동일한 인터페이스 제공
// ❌ 가상 함수: 상속 필요
class Shape {
public:
    virtual void draw() = 0;
};

class Circle : public Shape {  // 상속 필요
    void draw() override {}
};

// ✅ Type Erasure: 상속 불필요
class Drawable {
    // 내부 구현...
};

class Circle {  // 상속 불필요!
    void draw() {}
};

Drawable d = Circle();  // OK
d.draw();

Type Erasure의 구조:

graph TD
    A[Drawable 외부 인터페이스] --> B[DrawableConcept 추상 인터페이스]
    B --> C["DrawableModelCircle"]
    B --> D["DrawableModelRectangle"]
    C --> E[Circle 객체]
    D --> F[Rectangle 객체]
    
    style A fill:#90EE90
    style B fill:#FFB6C1
    style C fill:#87CEEB
    style D fill:#87CEEB

Type Erasure vs 가상 함수:

특징가상 함수Type Erasure
상속✅ 필요❌ 불필요
기존 타입 수정✅ 필요❌ 불필요
유연성❌ 제한적✅ 높음
구현 복잡도✅ 낮음❌ 높음
성능✅ 빠름❌ 약간 느림
타입 정보✅ 유지❌ 소거
// 가상 함수: 상속 필요
class Shape {
public:
    virtual void draw() = 0;
};

class Circle : public Shape {
    void draw() override {
        std::cout << "원\n";
    }
};

// Type Erasure: 상속 불필요
class Circle {  // Shape 상속 안함
public:
    void draw() const {
        std::cout << "원\n";
    }
};

Drawable d = Circle();  // OK

std::function

#include <functional>

int add(int a, int b) { return a + b; }

int main() {
    // 함수 포인터
    function<int(int, int)> f1 = add;
    
    // 람다
    function<int(int, int)> f2 =  { return a * b; };
    
    // 함수 객체
    struct Multiply {
        int operator()(int a, int b) { return a * b; }
    };
    function<int(int, int)> f3 = Multiply();
    
    cout << f1(2, 3) << endl;  // 5
    cout << f2(2, 3) << endl;  // 6
    cout << f3(2, 3) << endl;  // 6
}

수동 Type Erasure 구현

class Drawable {
private:
    struct DrawableConcept {
        virtual void draw() const = 0;
        virtual ~DrawableConcept() {}
    };
    
    template<typename T>
    struct DrawableModel : DrawableConcept {
        T object;
        
        DrawableModel(T obj) : object(move(obj)) {}
        
        void draw() const override {
            object.draw();
        }
    };
    
    unique_ptr<DrawableConcept> self;
    
public:
    template<typename T>
    Drawable(T obj) : self(make_unique<DrawableModel<T>>(move(obj))) {}
    
    void draw() const {
        self->draw();
    }
};

class Circle {
public:
    void draw() const {
        cout << "원 그리기" << endl;
    }
};

class Rectangle {
public:
    void draw() const {
        cout << "사각형 그리기" << endl;
    }
};

int main() {
    vector<Drawable> shapes;
    shapes.push_back(Circle());
    shapes.push_back(Rectangle());
    
    for (const auto& shape : shapes) {
        shape.draw();
    }
}

실전 예시

예시 1: 콜백 시스템

#include <functional>
#include <vector>

class EventSystem {
private:
    vector<function<void(int)>> handlers;
    
public:
    template<typename Func>
    void subscribe(Func&& handler) {
        handlers.push_back(forward<Func>(handler));
    }
    
    void trigger(int value) {
        for (auto& handler : handlers) {
            handler(value);
        }
    }
};

void globalHandler(int x) {
    cout << "전역 함수: " << x << endl;
}

int main() {
    EventSystem events;
    
    // 전역 함수
    events.subscribe(globalHandler);
    
    // 람다
    events.subscribe( {
        cout << "람다: " << x << endl;
    });
    
    // 함수 객체
    struct Printer {
        void operator()(int x) {
            cout << "함수 객체: " << x << endl;
        }
    };
    events.subscribe(Printer());
    
    events.trigger(42);
}

예시 2: 타입 안전 any

class TypeSafeAny {
private:
    struct Holder {
        virtual ~Holder() {}
    };
    
    template<typename T>
    struct HolderImpl : Holder {
        T value;
        HolderImpl(T v) : value(move(v)) {}
    };
    
    unique_ptr<Holder> content;
    
public:
    template<typename T>
    TypeSafeAny(T value) : content(make_unique<HolderImpl<T>>(move(value))) {}
    
    template<typename T>
    T* get() {
        if (auto* holder = dynamic_cast<HolderImpl<T>*>(content.get())) {
            return &holder->value;
        }
        return nullptr;
    }
};

int main() {
    TypeSafeAny a = 42;
    
    if (int* p = a.get<int>()) {
        cout << *p << endl;  // 42
    }
    
    if (string* p = a.get<string>()) {
        cout << *p << endl;
    } else {
        cout << "타입 불일치" << endl;
    }
}

예시 3: 플러그인 시스템

class Plugin {
private:
    struct PluginConcept {
        virtual void execute() = 0;
        virtual string getName() = 0;
        virtual ~PluginConcept() {}
    };
    
    template<typename T>
    struct PluginModel : PluginConcept {
        T plugin;
        
        PluginModel(T p) : plugin(move(p)) {}
        
        void execute() override {
            plugin.execute();
        }
        
        string getName() override {
            return plugin.getName();
        }
    };
    
    unique_ptr<PluginConcept> self;
    
public:
    template<typename T>
    Plugin(T plugin) : self(make_unique<PluginModel<T>>(move(plugin))) {}
    
    void execute() {
        self->execute();
    }
    
    string getName() {
        return self->getName();
    }
};

class AudioPlugin {
public:
    void execute() {
        cout << "오디오 처리" << endl;
    }
    
    string getName() {
        return "AudioPlugin";
    }
};

class VideoPlugin {
public:
    void execute() {
        cout << "비디오 처리" << endl;
    }
    
    string getName() {
        return "VideoPlugin";
    }
};

int main() {
    vector<Plugin> plugins;
    plugins.push_back(AudioPlugin());
    plugins.push_back(VideoPlugin());
    
    for (auto& plugin : plugins) {
        cout << plugin.getName() << ": ";
        plugin.execute();
    }
}

std::any 활용

#include <any>
#include <map>

class PropertyBag {
private:
    map<string, any> properties;
    
public:
    template<typename T>
    void set(const string& key, T value) {
        properties[key] = value;
    }
    
    template<typename T>
    T get(const string& key) {
        return any_cast<T>(properties[key]);
    }
    
    bool has(const string& key) {
        return properties.find(key) != properties.end();
    }
};

int main() {
    PropertyBag props;
    
    props.set("width", 800);
    props.set("height", 600);
    props.set("title", string("My App"));
    
    cout << props.get<int>("width") << endl;
    cout << props.get<string>("title") << endl;
}

자주 발생하는 문제

문제 1: any_cast 실패

// ❌ 크래시
any a = 42;
string s = any_cast<string>(a);  // bad_any_cast 예외

// ✅ 안전한 캐스트
if (a.type() == typeid(int)) {
    int x = any_cast<int>(a);
}

// ✅ 포인터 캐스트
if (int* p = any_cast<int>(&a)) {
    cout << *p << endl;
}

문제 2: function 복사 비용

// ❌ 큰 람다 캡처
vector<int> bigData(1000000);
function<void()> f = [bigData]() {  // 복사!
    // ...
};

// ✅ 참조 캡처
function<void()> f = [&bigData]() {
    // ...
};

문제 3: 타입 정보 손실

// ❌ 타입 정보 손실
any a = Circle();
// Circle의 메서드를 직접 호출 불가

// ✅ Type Erasure 패턴으로 인터페이스 제공
Drawable d = Circle();
d.draw();  // OK

Type Erasure vs 가상 함수

// 가상 함수
class Shape {
public:
    virtual void draw() = 0;
};

class Circle : public Shape {
    void draw() override {}
};

// Type Erasure
class Drawable {
    // 내부 구현...
};

class Circle {  // 상속 불필요!
    void draw() {}
};

장점:

  • 상속 불필요
  • 기존 타입 수정 불필요
  • 더 유연함

단점:

  • 구현 복잡
  • 약간의 오버헤드

실무 패턴

패턴 1: 타입 안전 메시지 큐

class Message {
private:
    struct MessageConcept {
        virtual void process() = 0;
        virtual ~MessageConcept() {}
    };
    
    template<typename T>
    struct MessageModel : MessageConcept {
        T message;
        
        MessageModel(T msg) : message(std::move(msg)) {}
        
        void process() override {
            message.process();
        }
    };
    
    std::unique_ptr<MessageConcept> self_;
    
public:
    template<typename T>
    Message(T msg) : self_(std::make_unique<MessageModel<T>>(std::move(msg))) {}
    
    void process() {
        self_->process();
    }
};

// 사용
struct TextMessage {
    std::string content;
    void process() const {
        std::cout << "텍스트: " << content << '\n';
    }
};

struct ImageMessage {
    std::vector<uint8_t> data;
    void process() const {
        std::cout << "이미지: " << data.size() << " bytes\n";
    }
};

std::queue<Message> queue;
queue.push(TextMessage{"Hello"});
queue.push(ImageMessage{{1, 2, 3}});

패턴 2: 커맨드 패턴

class Command {
private:
    struct CommandConcept {
        virtual void execute() = 0;
        virtual void undo() = 0;
        virtual ~CommandConcept() {}
    };
    
    template<typename T>
    struct CommandModel : CommandConcept {
        T command;
        
        CommandModel(T cmd) : command(std::move(cmd)) {}
        
        void execute() override {
            command.execute();
        }
        
        void undo() override {
            command.undo();
        }
    };
    
    std::unique_ptr<CommandConcept> self_;
    
public:
    template<typename T>
    Command(T cmd) : self_(std::make_unique<CommandModel<T>>(std::move(cmd))) {}
    
    void execute() { self_->execute(); }
    void undo() { self_->undo(); }
};

// 사용
struct AddCommand {
    int& value;
    int delta;
    
    void execute() { value += delta; }
    void undo() { value -= delta; }
};

int value = 0;
std::vector<Command> history;
history.push_back(AddCommand{value, 10});
history.back().execute();  // value = 10
history.back().undo();     // value = 0

패턴 3: 함수 래퍼

template<typename Signature>
class Function;

template<typename R, typename... Args>
class Function<R(Args...)> {
private:
    struct Callable {
        virtual R call(Args... args) = 0;
        virtual ~Callable() {}
    };
    
    template<typename F>
    struct CallableImpl : Callable {
        F func;
        
        CallableImpl(F f) : func(std::move(f)) {}
        
        R call(Args... args) override {
            return func(std::forward<Args>(args)...);
        }
    };
    
    std::unique_ptr<Callable> callable_;
    
public:
    template<typename F>
    Function(F func) : callable_(std::make_unique<CallableImpl<F>>(std::move(func))) {}
    
    R operator()(Args... args) {
        return callable_->call(std::forward<Args>(args)...);
    }
};

// 사용
Function<int(int, int)> add =  { return a + b; };
std::cout << add(2, 3) << '\n';  // 5

FAQ

Q1: Type Erasure는 언제 사용하나요?

A:

  • 상속 없이 다형성: 기존 타입을 수정할 수 없을 때
  • 유연한 인터페이스: 다양한 타입을 통일된 방식으로 처리
  • 플러그인 시스템: 런타임에 타입이 결정될 때
  • 콜백 시스템: 다양한 callable 객체 저장
// 상속 없이 다형성
class Circle {  // Shape 상속 안함
    void draw() const {}
};

Drawable d = Circle();  // OK

Q2: any vs variant?

A:

  • any: 어떤 타입이든 가능 (런타임 체크, 느림)
  • variant: 정해진 타입 중 하나 (컴파일 타임 체크, 빠름)
// any: 모든 타입
std::any a = 42;
a = std::string{"hello"};
a = std::vector<int>{1, 2, 3};

// variant: 정해진 타입만
std::variant<int, std::string> v = 42;
v = std::string{"hello"};
// v = std::vector<int>{};  // 에러

Q3: function의 오버헤드는?

A: 약간의 오버헤드가 있습니다. 가상 함수 호출과 유사합니다.

// 직접 호출: ~1ns
int add(int a, int b) { return a + b; }
add(2, 3);

// std::function: ~5-10ns
std::function<int(int, int)> f = add;
f(2, 3);

권장: 성능이 중요하면 템플릿 사용

Q4: Type Erasure 구현은 어렵나요?

A: 복잡합니다. 가능하면 std::any, std::function을 사용하세요.

// ✅ std::function 사용 (간단)
std::function<void()> callback =  {
    std::cout << "Hello\n";
};

// ❌ 직접 구현 (복잡)
// Concept, Model, 외부 인터페이스 필요

Q5: 성능이 중요하면?

A: 가상 함수나 CRTP를 고려하세요.

// 가상 함수: 빠름, 상속 필요
class Shape {
    virtual void draw() = 0;
};

// CRTP: 매우 빠름, 복잡
template<typename Derived>
class Shape {
    void draw() {
        static_cast<Derived*>(this)->draw_impl();
    }
};

// Type Erasure: 유연함, 약간 느림
class Drawable {
    // ...
};

Q6: Type Erasure의 메모리 할당은?

A: 동적 할당이 필요합니다. 작은 객체는 Small Object Optimization (SOO)을 사용할 수 있습니다.

// 동적 할당
Drawable d = Circle();  // new로 할당

// std::function: SOO 사용
std::function<void()> f =  {};  // 작은 람다: 스택
std::function<void()> f2 = [bigData]() {};  // 큰 람다: 힙

Q7: Type Erasure는 복사 가능한가요?

A: 구현에 따라 다릅니다. 복사를 지원하려면 clone() 메서드가 필요합니다.

struct DrawableConcept {
    virtual void draw() const = 0;
    virtual std::unique_ptr<DrawableConcept> clone() const = 0;  // 복사
    virtual ~DrawableConcept() {}
};

template<typename T>
struct DrawableModel : DrawableConcept {
    T object;
    
    std::unique_ptr<DrawableConcept> clone() const override {
        return std::make_unique<DrawableModel>(object);
    }
};

Q8: Type Erasure 학습 리소스는?

A:

  • “C++ Software Design” by Klaus Iglberger
  • Sean Parent의 “Inheritance Is The Base Class of Evil” 발표
  • Boost.TypeErasure 라이브러리

관련 글: any, variant, function, virtual-functions.

한 줄 요약: Type Erasure는 타입 정보를 숨기고 상속 없이 다형성을 구현하는 디자인 패턴입니다.

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