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2018-10-15-numericcast.md

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numericCast(_:)
Mattt
김필권
Swift
코드가 컴파일되도록 하는 것은 코드를 올바르게 짜는 것과는 다른 일입니다. 하지만 때론 전자를 추구하는 것이 후자를 이루는 궁극적인 방법이 될 때도 있습니다.
swift
4.2

누구나 프로그래밍을 설명할 때 주로 사용하는 비유가 있을 것입니다.

목공부터 뜨개질, 정원 가꾸기까지 다양하게 비유할 것입니다. 게다가 프로그래밍은 문제 해결, 스토리텔링, 예술 작품으로도 비유할 수 있을 것입니다. 작문에 비유한다면 그 프로그램이 시인지 산문인지 문제는 의심의 여지도 없습니다. 또는 프로그래밍이 음악이라면 분명히 재즈일 것입니다.

지금 우리가 하는 얘기는 중동지역의 이야기인 천일야화(The Thousand and One Nights)와 가장 비슷하다고 생각합니다. 천일야화의 아무 이야기 하나를 읽어보면 초자연적인 존재인 지니(jinn, djinn, genies 또는 🧞‍)를 볼 수 있을 것입니다. 이 존재를 뭐라고 부르든 우리는 이 존재가 소원을 이뤄주고 그에 필연적으로 따라오는 불행을 알고 있습니다.

많은 방면에서 컴퓨터는 형이상학적 소원을 물리적으로 구체화해서 성취해줍니다. 지니처럼 컴퓨터는 우리의 의도가 무엇인지에 상관없이 기쁘게 받아들이고, 무엇이든 할 것입니다. 그리고 에러가 발생하기 전까지 우리는 그것에 대해 아무것도 할 수 없을 수도 있습니다.

Swift 개발자라면 정수형 변환 에러를 본 적이 있을 것입니다. 저는 이 에러를 볼 때마다 "이 경고들 좀 사라지고 내 코드도 컴파일되면 좋겠네"라고 생각합니다.

여러분도 그런 적이 있으시다면 numericCast(_:) 을 알기 딱 좋은 타이밍이십니다. numericCast(_:) 는 Swift 표준 라이브러리의 작은 유틸리티 기능이지만 우리가 원하는 딱 그 기능입니다. 기억하세요. 이건 그저 실현되는 것뿐입니다.

numericCast(_:) 가 어떻게 생겼는지 알아보고 이에 걸려있는 마법적인 상상을 풀어보겠습니다.

public func numericCast<T : BinaryInteger, U : BinaryInteger>(_ x: T) -> U {
  return U(x)
}

(Never에서도 배웠듯이 코드가 많다고 큰 충격을 주는 것이 아니고 코드가 적다고 주는 충격이 작은 게 아닙니다)

BinaryInteger 프로토콜은 숫자들이 언어 안에서 어떻게 작동되고 있는지 검사하기 위해 Swift 4에서 추가되었습니다. BinaryInteger 는 signed, unsigned에 상관없이 모든 모양과 모든 사이즈의 정수를 다루는 하나의 통합된 인터페이스를 제공합니다.

정수형을 다른 타입으로 변형할 때는 그 타입으로 표현이 안 되는 값이라도 변형은 가능합니다. 문제는 signed 정수를 unsigned 정수로 변형하려고 할 경우 (예를 들어 -42 를 UInt 로 변형하려고 할 때) 또는 바꾸고자하는 타입의 한계를 넘어가는 경우(예를 들어 UInt8 은 0 부터 255 까지밖에 표현하지 못합니다)에 발생합니다.

BinaryInteger 는 변형에 대한 네 가지 전략을 세웠습니다.

  • Range-Checked Conversion (init(_:)): 한계를 넘어가는 런타임 에러를 일으킵니다

  • Exact Conversion (init?(exactly:)): 한계를 넘어가는 값의 경우 nil을 반환합니다

  • Clamping Conversion (init(clamping:)): 한계를 넘어가는 값의 경우 가장 가까운 표현가능한 타입을 사용합니다

  • Bit Pattern Conversion (init(truncatingIfNeeded:)): 대상으로 하는 정수형의 너비로 잘라냅니다

올바른 변형 전략은 그것이 사용되는 상황에 의존합니다. 때로는 표현가능한 범위로 조정하는 것이 옳을 때도 있고 때로는 아무 값을 주지 않는 것이 옳을 때도 있습니다. numericCast(_:) 의 경우엔 편의를 위해 range-checked conversion이 사용됩니다. 한계를 넘는 값을 이 함수를 호출하는데에 사용한다면 런타임 에러가 날 수 있다는 것이 단점입니다. (구체적으로는 -0 과 -0none 의 경우에 오버플로우에 걸립니다)

{% info %}

숫자들이 Swift 4에서 바뀌면서 어떻게 작동하게 되었는지에 대한 더 자세한 정보는 SE-0104: "Protocol-oriented integers"를 확인해주세요.

이 주제는 또한 Flight School Guide to Numbers에서도 길게 다뤄집니다.

{% endinfo %}

문자 그대로 생각하기, 비판적으로 생각하기

더 알아보기 전에 정수 리터럴에 대해 얘기하는 시간을 가져보겠습니다.

이전 글에서도 얘기 나눴듯이 Swift는 값을 표현하는 편리하고 확장성있는 방법을 제공합니다. Swift의 타입 추론을 사용하면 때로는 "그냥 되는" 경우가 있는데 이런 경우엔 정말 좋습니다. 하지만 "그냥 안되는" 경우라면 우리를 매우 혼란스럽게 할 것입니다.

다음과 같이 signed 정수의 배열과 unsigned 정수의 배열이 있고 같은 값으로 초기화됐다고 해봅시다.

let arrayOfInt: [Int] = [1, 2, 3]
let arrayOfUInt: [UInt] = [1, 2, 3]

그들이 보기에는 같아보임에도 불구하고 우리는 다음과 같은 상황을 마주하게 될 것입니다.

arrayOfInt as [UInt] // 에러: `[Int]` 타입을 `[UInt]` 타입으로 강제로 바꿀 수 없습니다

이 이슈를 해결하는 한 가지 방법은 map(_:) 메소드에 numericCast 함수를 인자로 넘기는 것입니다.

arrayOfInt.map(numericCast) as [UInt]

다음은 UInt range-checked initializer를 직접 보내는 방법입니다.

arrayOfInt.map(UInt.init)

이번엔 조금 다른 값으로 같은 예제를 살펴보겠습니다.

let arrayOfNegativeInt: [Int] = [-1, -2, -3]
arrayOfNegativeInt.map(numericCast) as [UInt] // 🧞‍ Fatal error: 음수는 표현할 수 없습니다

컴파일 시간 타입 기능의 런타임과 같은 numericCast(_:) 는 as! 보다는 as 나 as? 에 가깝습니다.

대신에 exact conversion initializer(init?(exactly:))를 넘겼을 경우를 비교해보겠습니다.

let arrayOfNegativeInt: [Int] = [-1, -2, -3]
arrayOfNegativeInt.map(UInt.init(exactly:)) // [nil, nil, nil]

numericCast(_:) 는 무딘 도구라서 사용하기로 마음먹었을 때 무엇을 넘겨줘야하는지 이해하는 것이 중요합니다.

The Cost of Being Right

Swift에서 정수 값에 Int 를 사용하도록(그리고 부동 소숫점 값에 Double을 사용하도록) 가이드를 주는 것은 정말로 좋은 이유가 아니라면 구체적인 타입을 사용하지 않게 하기 위해서 입니다. Collection 의 count 값이 정의상으로 무조건 0보다 클지라도 우리는 API에서 잘 못 보낼 수도 있는 경우를 생각해서 UInt 대신에 Int 를 사용해야 합니다. 동일한 이유로 아주 적은 숫자를 나타내는 경우에 8 비트 공간에 모든 값이 들어갈지라도 Int 를 사용하는 것이 항상 더 나은 표현 방법입니다. 예를 들면 weekday numbers가 있겠네요.

이러한 경우는 C API와 Swift간의 의사소통에서도 볼 수 있습니다.

오래돼고 낮은 단계의 C API들은 아키텍쳐 의존 타입 정의와 미세하게 조정된 값들로 가득 차 있습니다. 그들은 스스로 관리가 가능합니다. 하지만 헤더에서 포인터와 같이 상호 운용성 문제로 올라가게 되면 이것은 브레이크 포인트가 될 수도 있습니다. (디버깅의 그것을 말하는게 아닙니다.)

numericCast(_:) 는 더 이상 빨간 줄을 보기 싫고 그냥 다 해결됐으면 좋겠으면 하는 우리를 위해 존재합니다.

컴파일의 무작위 행동

공식 문서의 예제는 우리에게 아주 친근한 내용입니다.

SE-0202에 앞서, Swift에서 숫자를 생성하는 표준 예제는 Darwin 프레임워크를 가져와서 arc4random_uniform(3) 함수를 사용합니다.

uint32_t arc4random_uniform(uint32_t __ upper_bound)

Swift에서 arc4random 를 사용하려면 두 번의 타입 변형을 필요로 합니다. 첫 번째는 Int 값을 UInt32 로 변형하고, 다음은 UInt32 를 Int 로 다시 변형하는 것입니다.

import Darwin

func random(in range: Range<Int>) -> Int {
    return Int(arc4random_uniform(UInt32(range.count))) + range.lowerBound
}

끔찍하네요.

numericCast(_:) 를 사용하면 코드를 더 가독성 있게 만들 수 있습니다.

import Darwin

func random(in range: Range<Int>) -> Int {
    return numericCast(arc4random_uniform(numericCast(range.count))) + range.lowerBound
}

지니의 소원을 기억하세요. 우리는 우리의 소원을 항상 경계해야 합니다.

더 자세히 살펴보면 numericCast(_:) 의 예제에는 치명적인 결함이 있습니다. 바로 UInt32.max 를 넘는 값이 오면 문제가 생긴다는 것이죠!

random(in: 0..<0x1_0000_0000) // 🧞‍ Fatal error: 넘겨진 값을 표현할 비트가 충분하지 않습니다. (Not enough bits to represent the passed value)

표준 라이브러리의 구현 방식에 따르면 이제 Int.random(in: 0...10) 을 사용할 수 있게 되었고 여기선 range-checked conversion이 아닌 clamping conversion을 사용하는 것을 알 수 있습니다. 그리고 arc4random_uniform 같은 간편한 함수를 delegate하는 대신에 무작위 바이트의 버퍼에서 값을 뽑아냅니다.

코드가 컴파일되도록 하는 것은 코드를 올바르게 짜는 것과는 다른 일입니다. 하지만 때론 전자를 추구하는 것이 후자를 이루는 궁극적인 방법이 될 때도 있습니다. 현명하게 사용한다면 numericCast(_:) 는 이슈를 빠르게 해결할 수 있는 간편한 도구가 될 것입니다. 또한 기존 타입 initializer보다 잠재적인 오작동을 명확하게 알려주는 이점이 있습니다.

프로그래밍은 궁극적으로 우리가 원하는 것을 정확하게 표현해내는 것이라고 생각합니다. 종종 골치 아픈 세부 사항이 있지만요. CPU에는 지니같은 "올바른 일을 해라"같은 지시사항은 존재하지 않습니다. (만일 있다고 해도 실제로 믿을만 할까요?) 다행히도 Swift는 다른 많은 언어들보다 안전하고 간결한 방식으로 이러한 작업을 수행할 수 있습니다. 이보다 더 많은 것을 원하는 사람이 있을까요?