Protocol doesn't conform to itself - protocol 은 자기자신을 준수하지 않는다

07 Jun 2019 |  Protocol • Protocol Witness Table • Generic Where • troubleshooting

Protocol doent’s conform to itself - protocol 은 자기자신을 준수하지 않는다

protocol 과 generic을 사용하면서 겪은 문제에 대해 내 나름대로 설명을 해보았다.

🔎(추가 : 06/19/2019)

이 문제에 대해 깔끔하게 정리해놓은 글을 발견했다.

Protocols Sidebar I: Protocols Are Nonconformists

관련되어서 궁금했던 모든 질문들에 대한 답이었다. 이 블로그의 protocol 관련된 다른 글도 좋다

문제 - JSON Parser 구현

• JSON value - array 는 json value이고, 그 array element도 json value로만 구성되어야 함
• Generic Where Clause 를 사용해서, Array Element가 JSONValue protocol을 준수하면, Array도 JSONValue protocol을 준수하도록 구현하고자 했다.
  • 참조 - Generic Where Clause , Protocol - Conditionally Conforming to a Protocol

protocol JSONValue {
  var typeDescription: String { get }
}

extension Array: JSONValue where Element == JSONValue {
  var typeDescription: String { return "배열" }
}

// Parser struct Code..
struct Parser {
  ...
  private mutatinf func parseArray() -> JSONValue {
    var jsonArray = Array<JSONValue>()
    ...
    return jsonArray // compile error!
  }
}

Array<JSONVAlue> 도 JSONValue를 준수할 것이라고 생각했는데, 컴파일러 에러가 떴다.

이건 [JSONValue] 타입이지 JSONValue는 아니라는 것이었다.

Protocol도 타입으로 사용가능하다고 했는데, 이해가 되지 않았다.

원인

1. Protocol as Types

Protocol을 타입처럼 사용한다는 것은 그 자리에 해당 protocol을 구현한 구체적인 타입만 올 수 있다는 뜻이다.

Swift Language Guide 에 다음과 같은 설명이 있다.

Using a protocol as a type is sometimes called an existential type, which comes from the phrase “there exists a type T such that Tconforms to the protocol”.

protocol을 타입으로 사용하는 것은 실존하는 타입이라고도 불린다. 이는 해당 프로토콜을 준수하는 타입이 실제로 존재하기 때문이다.

따라서 protocol을 타입으로 쓰는 경우, Element: SomeProtocol 처럼 colon : 뒤에 type으로 protocol이 나올 땐, 그 자리에는 concrete type 만 올 수 있다.

코드에서도

extension Array: JSONValue where Element: JSONValue {..}

Array의 Element로 JSONValue 를 채택하여 구현한 타입(concrete type conforming to Protocol)이 올 경우에만 Array가 프로토콜을 준수하게 된다.

2. Protocol doesn’t conform to itself

Protocol은 자기 자신을 준수할 수 없다. 1번의 근본적 원인이기도 하다.

프로토콜 자체는 선언만 있지 구현부는 없다. 프로토콜 자체가 자격요건을 명시하는 역할만 하지 구체적인 구현은 채택하는 타입에서 한다. default implementation도 준수할 때 생기는 것이므로 concrete type에 속하는 부분이다.

관련된 stackoverflow 의 토론을 보면 3가지 세부적인 원인이 프로토콜이 자기자신을 준수하지 못한다는 것을 뒷받침한다.

1. Initializer
2. static method and property
3. associatedtype

프로토콜 그 자체도 프로토콜을 준수한다면 위의 3가지 경우에 있어서 결정할 수 없는 모호함이 생긴다. 생성자 구현체가 없으니 어떤 타입의 init()을 실행할지 알 수 없다. static 속성들도 구현하는 type에 있다. 앞의 두 요소로 인해 associatedtype으로 구현된 generics 도 init(), static 을 사용할 수 없다.

🔍 Swift MetaType 측면에서 Protocol

원인을 찾는 과정에서 컴파일러가 protocol과 type을 체크하는 방법이 궁금해졌다. 그 과정에서 Swift 의 MetaType에 대해 알게되었다.

MetaType이란 Type의 Type이다.

let age: Int = 27

• age instance 의 Type은 Int
• Int의 Type은 Int.Type

코드에서 함수나 변수를 선언하면서 명시하는 Type에는 또 그 상위의 Type이 있다는 것이다.

이 MetaType을 구하는 방법에는 두 가지가 있다.

• type(of: ) : Dynamic MetaType
• .self : Static MetaType

컴파일 타임에 체크하는 것은 static 이니까 .self를 쓰려나?

Protocol 에도 MetaType이 있다.

protocol MyProtocol {}
let metatype: MyProtocol.Type = MyProtocol.self // Cannot convert value of...

그런데 MyProtocol.self 는 사용할 수 없다. .self 는 구체적인 type과 결합해서만 쓸 수 있다.

protocol MyProtocol {}
struct MyType: MyProtocol {}
let metatype: MyProtocol.Type = MyType.self // Now works!

이유는 MyProtocol.Type은 해당 프로토콜을 준수한 type의 MetaType만을 가리킬 수 있기 때문이다. 이걸 existential metatype 이라고 한다.

아까 Protocol as Type 에서 다룬 내용처럼, 구체적으로 구현해서 준수한 type만 올 수 있을 때, exixtential 을 사용한다.

그럼 프로토콜 그 자체로는 meta type이 없을까?

let protMetatype: MyProtocol.Protocol = MyProtocol.self

정답은 있다. .Type 이 아닌 .Protocol 이다.

metatype 으로 유추해보면, compiler가 protocol을 준수하는지 체크할 땐 .Type 을 사용하는 것 아닐까?

Protocol 메모리에서 어떻게 실행될까?

Protocol 이 Swift 컴파일러에 의해 어떻게 실행 프로그램이 되는지도 찾아보았다. (WWDC 2016 - Understanding Swift Performance) protocol을 준수한 타입은 메모리에서 각 타입에서 구현된 Protocol Witness Table(PWT)를 참조하고 있어 각 타입에 맞는 pwt가 runtime에 실행된다고 한다. 구현한 코드는 PWT에 담겨 실행되는 것이다.

protocol Drawable {
  func draw()
}

struct Point: Drawable {
  var x, y: Double
  func draw() { ... }
}

이 사실에서 추측해보면 Protocol 자체를 타입으로 쓸 경우 구현부가 없으니까, JSONValue protocol 자체에 연결된 PWT도 없을 것 같다. 또 Generics 는 static 하게, 즉, compile time에 정해지니까 어차피 pwt를 볼 필요도 없을 것 같다

해결

1. : 대신 == 를 쓴다

extension Array: JSONValue where Element == JSONValue

2. Array 를 box 에 집어 넣는다 (type-eraser)

Protocol type의 instance를 속성으로 갖는 새로운 구조체를 만든다.

struct JSONArray: JSONValue {
  private var base: [JSONValue]
  
  init(_ base: JSONValue) {
    self.base = base
  }
}

let boolValue = true
let intValue = 2
let jsonArray = JSONArray([boolValue, intValue])

​Reference

• WWDC
  • 2015 - Optimizing Swift Performance
  • 2016 - Understanding Swift Performance

• Stackoverflow - Protocol doesn’t conform to itself?

• Swift Language Guide
  • Generic Where Clause
  • Protocol - Conditionally Conforming to a Protocol
• What’s .self, .Type and .Protocol? Understanding Swift Metatypes