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유령 타입

October 18, 2021

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유령 타입 매개변수(Phantom type parameter)는 타입 선언에는 존재하나 타입을 구성하지는 않는 타입 매개변수를 가르키는 말입니다. 유령 타입 매개변수를 갖는 타입은 유령 타입(Phantom type)이라 부릅니다.

type T<P> = never;
// P는 유령 타입 매개변수이고, T는 유령 타입입니다.

유령 타입 매개변수를 사용하면 컴파일 타임에만 필요한 정보를 별도로 관리할 수 있습니다. 즉, 런타임에는 무의미한 정보를 값에서 걷어낼 수 있습니다. 아래는 클라이언트의 권한에 따른 연산에서의 제약을 기술하는 예시입니다.

type User = 'User';
type Admin = 'Admin';
type Developer = 'Developer';

enum GameMode {
  NORMAL,
  DEBUG
}

type Client<Permission> = { name: string, level: number, gameMode: GameMode, permission: Permission };

function getLevel(client: Client<any>): number {
  return client.level;
}

function setLevel(client: Client<Admin> | Client<Developer>, target: Client<any>, level: number): void {
  target.level = level;
}

function debugModeOn(client: Client<Developer>): void {
  client.gameMode = GameMode.DEBUG;
}

function client<Permission>(name: string, permission: Permission): Client<Permission> {
  return { name, level: 1, gameMode: GameMode.NORMAL, permission };
}

Client 타입의 값들은 permission이라는 권한 추적용 프로퍼티를 갖습니다. 적절한 권한을 가진 클라이언트가 연산을 요청하는지는 컴파일 타임에 정적으로 분석되는 반면, 권한 추적용 프로퍼티는 런타임에도 남아 메모리 공간을 차지합니다. 즉, permission 프로퍼티로 다뤄지는 정보는 필요 이상으로 프로그램에 존재합니다. 이 문제는 유령 타입 매개변수를 사용하여 다음과 같이 해결할 수 있습니다.

/**
  타입스크립트는 유령 타입 매개변수를 네이티브하게 지원하는 언어가 아닙니다.
  그렇기 때문에 유령 타입 매개변수를 우회적으로 나타내기 위한 유틸 타입이 필요합니다.
  아래의 제네릭 타입은 그런 용도의 타입으로, 지금은 무시하고 넘어가셔도 좋습니다.
 **/

abstract class PhantomTypeParameter<Identifier extends string | number | symbol, InstantiatedType> {
  protected readonly abstract _: {
    readonly [NameP in Identifier]: (_: InstantiatedType) => InstantiatedType;
  };
}

type User = 'User'
type Admin = 'Admin'
type Developer = 'Developer'

enum GameMode {
  NORMAL,
  DEBUG
}

type Client<Permission> = { name: string, level: number, gameMode: GameMode } & PhantomTypeParameter<'Permission', Permission>

function getLevel(client: Client<any>): number {
  return client.level;
}

function setLevel(client: Client<Admin> | Client<Developer>, target: Client<any>, level: number): void {
  target.level = level;
}

function debugModeOn(client: Client<Developer>): void {
  client.gameMode = GameMode.DEBUG;
}

function client<Permission>(name: string): Client<Permission> {
  return { name, level: 1, gameMode: GameMode.NORMAL } as Client<Permission>;
}

타입 레벨 프로그래밍에서는 타입이 곧 값이기 때문에 타입의 내부 구조는 프로그래머에게 그다지 중요한 요소가 아닙니다. 그렇기 때문에 유령 타입은 타입의 내부 구조를 기술하지 않고 무시하고 넘어가기 위해 쓰일 수도 있습니다.

type Z = 'Z';
type S<N> = PhantomTypeParameter<'N', N>;

타입스크립트에서의 유령 타입

타입스크립트의 타입 시스템은 타입의 구조를 기준으로 타입 검사가 이루어지는 구조적 타입 시스템(Structural type system)이기 때문에 타입의 구조에 영향을 주지 않는 유령 타입 매개변수들은 실질적인 의미를 갖지 못합니다. 타입스크립트에서는 일반적인 방법으로 유령 타입의 효과를 누릴 수 없습니다.

type Z = 'Z';
type S<N> = never; // S<Z>와 S<S<Z>>의 구조가 같기 때문에 둘은 동일하게 취급됩니다.

따라서 우회적으로 유령 타입 매개변수를 표현해야 합니다. 가장 간단한 방법은 유령 타입 매개변수를 타입 구조에 포함시키되, 실제 코드에서는 이를 무시하여 유령 타입 매개변수처럼 대하는 방법입니다.

interface PhantomTypeParameter<InstantiatedType> { 
  _: InstantiatedType
}
type Client<Permission> = { name: string, level: number, gameMode: GameMode } & PhantomTypeParameter<Permission>;

function client<Permission>(name: string): Client<Permission> {
  return { name, level: 1, gameMode: GameMode.NORMAL } as Client<Permission>;
}

유령 타입 매개변수를 타입의 구조에 포함시키기 위해 쓰인 필드에는 어떤 값도 담기지 않습니다. 그러나 타입 선언 상, 프로그래머는 이 필드에 접근할 수 있고, 유령 타입 매개변수 타입에 해당하는 값을 기대할 수 있습니다.

const john = client<User>('john');

john.permission; // 타입 검사에서는 문제 없는 코드, 그러나 실제로는 문제 발생

단순히 “이 필드는 타입 시스템을 속이기 위해 만든 더미 필드니까 우리 모두 접근하지 맙시다” 라는 약속만으로는 충분하지 않습니다. 더미 필드에 접근할 수 없도록 타입을 수정해야 합니다.

abstract class PhantomTypeParameter<InstantiatedType> {
  protected abstract _: InstantiatedType;
}

type Client<Permission> = { name: string, level: number, gameMode: GameMode } & PhantomTypeParameter<Permission>;

또한, 유령 타입 매개변수를 여러 개 정의할 수도 있어야 합니다.

type Client<Permission, Something> = 
  { name: string, level: number, gameMode: GameMode } 
  & PhantomTypeParameter<Permission> 
  & PhantomTypeParameter<Something>;

앞선 구현에서는 모든 유령 타입 매개변수가 _ 라는 더미 필드에 저장되기 때문에 여러 개의 유령 타입 매개변수를 정의하고자 한다면 골치아픈 문제가 발생합니다. 이는 각 유령 타입 매개변수를 정의할 때 고유한 식별자를 부여하게 하는 방법으로 해결할 수 있습니다.

abstract class PhantomTypeParameter<Identifier extends keyof never, InstantiatedType> {
  protected abstract _: {
    readonly [NameP in Identifier]: InstantiatedType;
  };
}

type Client<Permission, Something> =
  { name: string, level: number, gameMode: GameMode } 
  & PhantomTypeParameter<'Permission', Permission> 
  & PhantomTypeParameter<'Something', Something>;

마지막으로, 유령 타입 매개변수에 주어진 타입이 다른 유령 타입은 다르게 취급되어야 합니다. 즉, Client<User>와 Client<User | Admin>은 다른 타입으로 인식되어야 합니다. 이는 유령 타입 매개변수들이 무공변적(invariant)이게 만듦으로써 만족시킬 수 있습니다.

abstract class PhantomTypeParameter<Identifier extends keyof never, InstantiatedType> {
  protected abstract _: {
    readonly [NameP in Identifier]: (_: InstantiatedType) => InstantiatedType;
  };
}

Personal blog of Jaewon Seo.
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