Rust enum 이해하기

개요

Rust 를 공부하게 되면 가장 핵심적으로 다루는 키워드가 있습니다. 바로 enum 입니다. 다른 언어에서 쓰이는 Enum 과 용도가 조금 달라 혼란스러운 부분이 있습니다. 이 글에서는 enum이 무엇인지, 어떻게 사용하는지, 다른 언어와는 어떻게 다른지 알아보겠습니다.

Rust의 enum 간단하게 살펴보기

설명

enum 은 키워드 중 하나로 여러 종류가 될 수 있는 타입을 선언하는 데 사용됩니다. 구조체 선언과 비슷한 문법을 사용합니다.

예시

Rust의 enum 은 주로 match 키워드와 함께 사용됩니다. match 키워드를 통해서 이 enum 이 어떤 종류인지 파악하고 종류에 따라 적절한 로직을 실행하게 할 수 있습니다. 상품을 장바구니에 넣었고 외부 API를 통해 결제하려는 상황을 간단하게 생각해보겠습니다. 가능한 결제수단은 현금, 직불카드, 신용카드 3가지로 가정하겠습니다.

1. 세 가지 결제 방법은 서로 다른 API URI를 사용합니다.
2. 현금결제는 추가적인 정보가 필요 없습니다.
3. 직불카드는 어떤 카드를 쓸지 카드 번호가 필요합니다.
4. 신용카드는 직불카드처럼 카드 번호가 필요하고, 또 몇 개월 할부로 결제할지 알아야 합니다. 이를 enum 으로 나타내면 다음과 같습니다.

enum PaymentMethod {
    Cash,  // 현금결제하는 경우
    DebitCard(String)  // 직불카드로 결제하는 경우. 카드 번호를 포함
    CreditCard{  // 신용카드로 결제하는 경우. 카드 번호와 할부 개월 수를 포함함
        number: String,
        installment: i64
    },
}

그리고 결제를 실행하는 메소드를 작성한다면 아래처럼 작성할 수 있습니다. match를 통해서 enum을 분해하고 항목별로 다른 로직을 실행합니다.

// 각 결제 방법별 API URI
const cash_uri: &str = "...";
const debit_uri: &str = "...";
const credit_uri: &str = "...";

fn pay(method: PaymentMethod, amount: i64) {
    match method {  // match는 enum의 가능한 모든 값을 처리해야합니다.
        Cash => {
            let req = build_pay_request_with_cash_(cash_uri, amount);
            request(cach_uri, req);
        },
        DebitCard(card_number) => {
            let req = build_pay_request_with_debit_card(debit_uri, card_number, amount)
            request(debit_uri, req);
        },
        CreditCard {
            number, installment
        } => {
            let req = build_pay_request_with_credit_card(credit_uri, card_number, amount, installment);
            request(credit_uri, req);
        }
    }    
}

다른 언어의 Enum(Python)

위 결제 코드를 Python 으로 다시 작성해보겠습니다.

class PaymentMethod(str, Enum):
    CASH = "cash_uri"
    DEBIT_CARD = "debit_card_uri"
    CREDIT_CARD = "credit_card_uri"

def pay(method: PaymentMethod, amount: int, **extra_infos) {
    if method == PaymentMethod.Cash:
        req = build_pay_request_with_cach(amount, **extra_infos)
        request(method, req)
    elif method == PaymentMethod.DebitCard:
        let req = build_pay_request_with_debit_card(
            amount, **extra_infos)
        request(method, req)
    elif method == PaymentMethod.CreditCard:
        let req = build_pay_request_with_credit_card(
            amount, **extra_infos
        )
        request(method, req)

Rust 와 가장 다른 점은 Enum 의 선언부입니다. Enum 의 각 항목에 값이 직접 매핑되어 있습니다. 이것이 가장 큰 차이점입니다. Rust의 enum은 값이 직접 매핑되지 않습니다. Rust 의 각 항목에 매칭되는 것은 값이 아닌 타입입니다. Python의 Enum은 값이라서 직접 비교가 가능하고, 상수를 대신할 수 있으며, 상위 타입(예시에서는 str)의 일반적인 인스턴스처럼 취급할 수 있습니다. 이름은 동일하지만 Rust의 enum은 다른 언어와 완전히 다른 것으로 취급해야 합니다.

Rust의 Enum은 Union이다.

결론적으로 Rust의 enum은 Python/TypeScript/Kotlin 의 Union 타입에 해당합니다.(예시를 작성하지 않았지만 Python과 유사합니다) enum 과 Union 의 차이점은 Union 은 타입의 집합이고, Enum은 값의 집합이라는 것입니다. 즉, Rust의 enum은 타입의 집합입니다.

구현 측면에서 왜 Union인가?

메모리 레이아웃(객체가 실제로 저장되는 구조)를 통해서 살펴보겠습니다. Python의 객체는 다음처럼 메모리 레이아웃이 짜여집니다.

| type | data |

즉, Union 타입의 실제 타입을 결정하는 것은 위 type 필드를 비교하여 일치하는 실제 타입으로 해석하는 과정이라 할 수 있습니다. 코드로 살펴본다면 아래의 isinstance 연산은 메모리 레이아웃에서 type 부분을 읽고 비교하는 것과 동일합니다.

def func(a):
   if isinstance(a, int):
       ...
   elif isinstance(a, str)
       ...
   else:
       ...

Rust 의 enum 레이아웃은 아래처럼 구성됩니다.

// Enum 종류별로 descrimitor 값이 다르고, 
// 그에 따라 data를 해석하는 방법이 달라집니다.
| descrimitor | data | 

앞부분(type, descrimitor)를 비교하여 실제 항목을 구분하고 항목에 따라서 data를 읽는 방법이 달라집니다. 실제 메모리를 해석하는 방법에서 유사성을 보이는 것을 알 수 있습니다. 반대로 Python 의 Enum 은 값(클래스 이름 공간에 속합니다)으로 동작하므로 앞부분 type을 비교하는 것이 아닌, 값을 비교해서 종류를 구분합니다.

// CASH, DEBIT_CARD, CREDIT_CARD 모두 type은 Payment 클래스이고, 상수입니다.
// type은 동일하지만 data는 다릅니다.
| type | data | 

여기까지 Rust 의 Enum 이 왜 다른 언어의 Union 에 가까운지 알아보았습니다. 그렇다면, 키워드 이름이 union 이 아닌 enum 이 된 이유가 무엇일까요? union이었다면 다른 언어로 개발하다 온 Rust 초심자들이 혼란을 겪었을 이유도 없었을 텐데 말입니다.

Union이 아닌 enum이 된 이유

사실 Rust에는 이미 union 키워드가 정의되어 있습니다. C/C++의 공용체(union)에 대응하기 위한 제한적인 용도로 만들어졌고, C/C++의 그것과 용법도 동일합니다. 하지만, 가능하면 union을 쓰지 않을 것을 권장하고 있습니다.

Rust/C/C++ union의 위험성

union을 사용하지 Rust enum을 사용해야 하는 이유는 어떤 항목의 값을 가지고 있는 지 수동으로 추적해야하기 때문입니다.

// Copied from https://google.github.io/comprehensive-rust/ko/unsafe/unions.html
#[repr(C)]
union MyUnion {
    i: u8,
    b: bool,
}

fn main() {
    let u = MyUnion { i: 42 };
    println!("int: {}", unsafe { u.i });  // int: 42
    println!("bool: {}", unsafe { u.b });  // bool: true
}

위 코드에서 b에는 어떤 값도 할당하지 않았습니다. 하지만 true값을 가지고 있죠. i와 메모리 공간을 공유하기 때문에 i를 수정하면 b의 값도 그에 따라 변화하기 때문입니다. 이게 union 이 위험한 이유입니다. 다른 필드를 수정했지만 값이 바뀝니다.

결론

1. Rust의 enum은 그 자체로 값을 가지지 않는 타입 집합입니다.
2. Rust enum은 다른 언어의 union 타입과 유사합니다.
3. Rust union은 가능하면 쓰지 맙시다.

참조

• cheats.rs
• https://github.com/python/cpython
• https://google.github.io/comprehensive-rust/ko/unsafe/unions.html
• https://dasima.xyz/c-union-declaration/