TypeScript: 타입 시스템으로 원시 값을 구분하기

타입 시스템은 프로그램을 돌려보지 않고도 개발 과정에서 프로그램의 유효성을 판단할 수 있는 방법이다. 숫자를 바라는 곳에 함수를 넣으면 안된다거나. 그러면 전화번호에 주소를 넣어버린 상황 역시 프로그램 실행 전에 알 수 있을까?

명목적과 구조적

명목적(Nominal)과 구조적(Structural) 시스템은 타입 시스템을 구분하는 큰 방법 중 하나이다.

type Address = string
type Tel = string

const address = '010-1111-2222' as Tel

TypeScript에서 위의 코드는 유효하다. Address와 Tel은 이름이 다르지만, 문자열이라는 “구조”(형태)가 동일하기 때문이다. 구조에 대해 더 쉽게 보려면 인터페이스의 예시를 보면 된다.

interface Foo {
  a: number
}
interface Bar {
  a: number
  b: string
}

const foo: Foo = { a: 3, b: 'b' } as Bar

이 코드 역시 Foo에 Bar를 할당하고 있지만 유효하다. 심지어 Bar에는 추가 문자열 속성 b가 존재하는데도. 이는 Foo가 되기 위해 필요한 a: number를 Bar도 만족하기 때문이다. Foo는 b에 대해 알지 못하므로, 이 추가 속성에 대해서는 아무것도 묻지 않는다.

이렇게, 서로 상속 따위의 관계가 없는데도 구조만 같으면 동일한 타입으로 취급하는 시스템을 구조적 타입 시스템(Structual type system)이라고 말한다. 반면, 타입의 이름만 달라도 별개의 타입으로 취급하면 명목적 타입 시스템(Nominal type system)이라고 부른다. ReScript와 같은 언어에서는 (Polymorphic Variant 제외) 명목적 타입을 채택하고 있으므로 같은 문자열 타입이라도 서로 호환되지 않는다.

하나의 언어에서 두 가지 시스템을 모두 사용할 수도 있다. Flow의 경우 클래스에 한정해서 명목적 타입을 사용한다.

/* @flow */
class Foo {
  a: number
}
class Bar {
  a: number
}

// TS에서는 오류 아님
const foo: Foo = new Bar() // Cannot assign `new B()` to `a` because `B` is incompatible with `A`.

두 가지 시스템 중 어느 하나가 우월하거나 열등한 것도 아니다.

그래도 내가 원한다면 TypeScript 환경에서 주소 문자열 자리에 전화번호 문자열을 넣는 것을 미연에 방지할 방법은 없을까?

정석: 객체와 구분용 속성

“정석”적인 방법으로는 Discriminated Union(구별된 구조체?)을 들 수 있겠다. “구별된 구조체”는 두 개의 객체 타입을 묶은 타입(A | B)인데, 두 타입이 공통으로 가진 한 속성에 서로 다른 고유한 값을 지정하는 것이다.

type Circle = {
  size: number
  kind: 'circle'
}
type Square = {
  size: number
  kind: 'square'
}
type Shape = Circle | Square

위의 코드에서는 kind가 구분용 속성으로, 임의의 Shape가 Circle인지 Square인지 알아내는 것은 shape.kind === 'circle'만으로 구분 가능하다. 'circle'인 경우는 Circle밖에 없고, Circle이 아니면 Square니까, 저 “크기”가 원의 크기인지 사각형의 크기인지 역시 빌드 타임에 구분할 수 있는 것이다. 종류가 많아지면 switch 문으로도 타입을 좁힐 수 있다.

그렇다면 우리의 문제도 동일하게 해결할 수 있겠다. 인터페이스보다 짧은 길이로 정의할 수 있는 튜플을 활용해보자.

type Unique<Kind extends string, Value> = readonly [Kind, Value]

type Address = Unique<'Address', string>
type Tel = Unique<'Tel', string>

const asAddress = (value: string): Address => ['Address', value]
const asPhone = (value: string): Tel => ['Tel', value]

const nationalAssemblyAddr = asAddress('서울특별시 영등포구 여의도동 의사당대로 1')
const nationalAssemblyTel = asTel('02-788-2114')

이제 주소와 전화번호를 헷갈리고 싶어도 헷갈릴 수 없게 됐다?

그러나… 이제 원시 문자열을 튜플/객체로 만드는 런타임 코드(asAddress(), asPhone())가 필요해졌고, 데이터 역시 원시 문자열이 아닌 완전히 다른 존재가 됐다. 타입 시스템 안에서만 해결할 수도 있을까?

낙인 찍기

자주 쓰이는 기법 하나는 타입 브랜딩(branding, 낙인)으로, 원시 값에 객체를 “낙인” 찍어서 일반적으로 생성할 수 없는 타입을 선언한다. 우연히 생성할 수 없으므로 구조적으로 동일해지는, 즉 두 타입이 동일하게 간주되는 일이 없고, 따라서 고유한 타입을 흉내낼 수 있는 방식이다.

type Brand<Key extends string, Value> = Value & { __brand: Key } // 키 이름은 아무거나 가능

type Address = Brand<'Address', string>
type Tel = Brand<'Tel', string>

const nationalAssemblyAddr = '서울특별시 영등포구 여의도동 의사당대로 1' as Address
const nationalAssemblyTel = '02-788-2114' as Tel

const incorrectAssignment1: Tel = nationalAssemblyAddress
//                                ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ Error
const incorrectAssignment2: Tel = nationalAssemblyAddress as Tel
//                                                        ^^^^^^ Error

간단한 예제이므로 타입 캐스팅을 하고 있지만, 브랜딩은 검증 수단과 쉽게 통합할 수 있다는 것이 강점이다.

function parseTel(raw: string): Tel | null {
  return TEL_REGEX.test(raw) ? (raw as Tel) : null
}

또한 브랜딩만으로는 런타임 코드의 변화가 없으므로, 서버 응답이 확실한 경우 그 타입을 처음부터 브랜딩한 타입으로 지정할 수 있어 편리하다.

type ProductID = Brand<'ProductID', number>
type KRW = Brand<'KRW', number>

type Product = {
  id: ProductID
  name: string
  price: KRW
}

declare const getProduct = (id: ProductID) => Product
declare const deleteProduct = (id: ProductID) => void

declare const SOME_PRODUCT_ID: ProductID

const product = getProduct(SOME_PRODUCT_ID)
deleteProduct(product.price) // Error!

한계

하지만 브랜딩은 명목적 타이핑의 흉내만 내는 것이라서, 원본 원시 타입과 브랜딩한 타입의 비교에는 취약하다.

declare const addr: Address

const str: string = address // OK?

덕분에 원본 원시 값에 대한 연산이나 함수는 그대로 사용할 수는 있으나, 그 결과는 무조건 원시 값으로 나타난다. 따라서 래핑 함수를 추가로 생성해줘야 개발에 불편함이 없다. 작성하는 것 자체가 불편함일 수는 있다.

리팩터링(2판)에서는 이렇게 작은 함수로 캡슐화하는 것을 추구하던데, 오히려 좋은 습관을 강제하는 걸까…?

function addKRW(a: KRW, b: KRW): KRW {
  return (a + b) as KRW
}

function maxKRW(...values): KRW {
  return Math.max(...values) as KRW
}

그대로 사용할 수 있다는 것은 단점이기도 하다. 실수로 일반 연산/함수를 사용해도 알아차리기가 힘들어서 기껏 나눠놓은 타입이 흐지부지될 수도 있기 때문. 브랜딩은 거의 불변하는 ID 등의 값에만 사용할 수 있지 않을까?

기존 JavaScript 환경의 엄청나게 동적인 성질때문에라도 TypeScript의 구조적 타입 시스템은 좋은 선택이라고 생각한다. 하지만 가끔 엄격한 타입 안전 레이어가 있으면 좋겠다 싶을 때도 있는데, 그럴 땐 중요하면서도 쉽게 변하지 않는 값에 한정해서 낙인을 찍어보면 어떨까?

네이티브 명목 타이핑 지원 요청 이슈는 무려 2014년! 부터 열려있는 상태다. 네이티브 지원이 불투명한 현 상황에서 제일 뛰어난 명목 타이핑 시뮬레이션이라고 평가받는 라이브러리는 newtype-ts다. 런타임 코드가 존재하긴 하지만 벤치마크 결과는 쓰지 않은 것과 거의 차이가 없고, 타입만 사용한 브랜딩의 한계도 없으며 fp-ts 생태계의 일원이라서 Option을 사용한 불확실한 값 모델링부터 명목적 타입을 포함한 객체의 인코딩/디코딩처럼 복잡한 작업도 끊김 없이 지원한다. 단점이라면 fp-ts 생태계가 다 그렇듯 개념도 낯설지만 문서화도 잘 되어있지 않다는 점…