Java에서 String은 왜 Immutable 한가

불변객체란?

 

불변객체는 객체가 생성된 후 객체 내부의 상태가 일정하게 유지되는 객체를 말한다. 이는 객체가 변수에 할당되면, 우리는 어떤 방법으로도 객체에 대한 참조를 업데이트하거나 내부 상태를 변경할 수 없는 것을 말한다.

또한 불변객체는 객체의 라이프사이클 동안 항상 같은 행위를 하는 것을 보장할 수 있다.

final 키워드

자바에서 final 키워드를 사용해서 불변성을 만족시킬 수 있다.

자바에서 변수들은 기본적으로 mutable하다. 이는 변수가 들고 있는 값을 변경하는 것이 가능하다는 것이다.

변수를 선언할 때 final 키워드를 사용하게 되면 Java 컴파일러는 변수의 값을 변경하는 것을 허용하지 않고, 컴파일 타임에 에러를 발생시킨다.

이렇게 불변 객체가 가진 특성은 thread-safe 하며 side-effect에 대해 자유롭다.

Java에서 String은 왜 불변인가?

String 클래스를 불변하게 두는데 있어서 이점은 caching, security, synchronization, performance 측면에 있다.

String Pool

String literal 자체를 캐싱해두고 재사용하는 것은 Heap 메모리 공간을 절약할 수 있다. 이는 String 변수가 String pool에서 같은 객체를 참조하기 떄문이다.

String Pool은 문자열이 JVM에 의해 저장되는 특별한 메모리 공간이다. String은 자바에서 불변하기 때문에, JVM은 각 리터럴 문자열의 복사본 하나만 풀에 저장하여 할당된 메모리 공간을 최적화한다.


이러한 과정을 interning이라고 부른다.

아래코드와 그림을 보자.

@Test
void stringTest() {
    String s1 = "HelloWorld";
    String s2 = "HelloWorld";
    String s3 = new String("HelloWorld");

    assertThat(s1 == s2).isTrue();
    assertThat(s1 == s3).isFalse();
}

[출처 - 밸덩]

 

s1을 literal로 생성후 s2도 동일한 literal로 생성하게 되면, JVM은 같은 값을 가지고 있는 String을 String Pool에서 찾게 된다. 만약 찾았다면 자바 컴파일러는 추가적인 메모리 할당 없이 해당 문자열의 메모리 주소를 반환하게 된다.

만약 찾지 못했다면 pool에 추가되고 참조값이 반환되게 된다.

new 연산자를 통한 String

우리가 new 연산자를 통해 String 변수를 만들게 되면 새로운 객체가 JVM의 힙 메모리에 저장되게 된다.

이렇게 new 연산자를 통해 String 객체를 만들게 되면 항상 새로운 객체를 힙 메모리에 저장하게 된다.

Java 9 부터의 String

Java8까지는 String이 character 배열, UTF-16으로 인코딩되어 모든 character가 메모리의 2byte씩 사용하고 있었다.

Java9부터는 Compact Strings라는 것이 새롭게 나왔다.

String을 1byte, LATIN-1로 저장 가능하면 1byte로 저장한다. 그 외의 경우는 UTF-16(2byte)로 저장한다.

즉, 문자열을 만들 때마다 문자열의 모든 문자가 바이트 LATIN-1을 사용하여 표현될 수 있으면 바이트 배열이 내부적으로 사용되어 하나의 문자에 대해 1바이트가 주어진다.

그런데 어떤 문자가 8비트 이상을 요구한다면 모든 문자는 각각 UTF-16을 사용해서 2바이트로 저장된다.

String 클래스를 확인해보면 대부분의 메서드가 LATIN을 체크하는 것을 확인할 수 있다.

public int indexOf(int ch, int fromIndex) {
   return isLatin1() ? StringLatin1.indexOf(value, ch, fromIndex)
                       : StringUTF16.indexOf(value, ch, fromIndex);
}

Security

String은 자바 애플리케이션에서 유저이름, 패스워드, url등 여러 곳에서 사용되고 있다. 다음의 코드 스니펫을 보자.

void criticalMethod(String userName) {
    // perform security checks
    if (!isAlphaNumeric(userName)) {
        throw new SecurityException(); 
    }

    // do some secondary tasks
    initializeDatabase();

    // critical task
    connection.executeUpdate("UPDATE Customers SET Status = 'Active' " +
      " WHERE UserName = '" + userName + "'");
}

위 코드 스니펫에서 신뢰할 수 없는 곳에서 String (userName)을 받아 모든 로직을 처리하고 있다. 저 userName을 가지고 메서드를 호출한 곳은 아직 userName에 대한 참조를 가지고 있다. 즉, 만약 String이 mutable하다면 우리가 update 메서드를 실행할 때 보안 검사를 수행했다 하더라도 수신된 String이 안전한지 알 수 없다.

또한 String userName이 다른 스레드에 의해 보여질 수 있고 값이 변경될 수 있다.

하지만 String은 불변이기 때문에 이러한 걱정으로부터 자유롭다.

Synchronized

불변하다는 것은 String을 thread-safe하게 만들어준다. 멀티스레드 환경에서도 값이 변하지 않는 것을 보장하기 때문이다.

멀티스레드 환경에서 어떤 스레드가 공유하고 있는 값을 변경하면 공유되고 있는 값이 변경되는 것이 아니라, 새로운 String을 String Pool에 생성하기 때문에 멀티스레드 환경에서 안전하다고 할 수 있다.

Hashcode Caching

String은 HashMap, HashTable, HashSet 등의 hash 구현체들에 의해 사용될 수 있다.

불변성은 String이 그들의 값(value)이 변하지 않는 것을 보장한다. 그렇기 때문에 hashCode() 메서드는 캐싱을 가능하게 하기 위해 String 클래스에서 override되어 첫 번째 hashCode() 동안 해시가 계산되고 캐시되며 동일한 값을 반환한다.

@Test
void hashTest() {
    String s1 = "Hello World";
    String s2 = new String("Hello World");

    assertThat(s1.hashCode()).isEqualTo(s2.hashCode()); // success
}

public int hashCode() {
    int h = hash;
    if (h == 0 && value.length > 0) {
        hash = h = isLatin1() ? StringLatin1.hashCode(value)
                              : StringUTF16.hashCode(value);
    }
    return h;
}

위 코드처럼 hash 값을 저장해 둔 뒤, 그 값을 계속해서 사용하고 있다.

이는 결과적으로 hash 구현체들이 String 객체를 가지고 연산을 수행할 때 성능적인 이점을 낼 수 있다.

Performance

위에서 봤듯이, String Pool이 존재하기 때문에 힙 메모리를 절약하고, hash 연산을 String 객체를 가지고 할 때는 빠르게 접근할 수 있기 때문에 성능상 이점을 가진다.

정리

자바는 String을 불변 객체로서 디자인했다.

이는 메서드의 파라미터로서 넘어온 String 객체의 변화에 대해 걱정하지 않아도 되고 멀티 스레드 환경에서 안전하게 사용될 수 있다는 것을 의미한다.

또한 JVM의 힙 메모리에서 String Pool이라는 특별한 메모리 공간을 가지고 있는데, 동일한 literal로 생성된 String에 대해서는 String Pool 내부에 있는 동일한 literal에 대한 메모리 주소를 가지고 있어 힙 메모리 공간을 아낄 수 있다.

참고자료

baeldung - java immutable object

baeldung - java string pool

baeldung - why string is immutable