본문 바로가기

카테고리 없음

🤔자바의 String은 왜 Immutable로 설계되었을까?

by silvertogold100 2025. 8. 3.

자바에서는 문자열 데이터를 저장하기 위해 String 클래스 타입을 사용한다.

어떻게 다루느냐에 따라 어플리케이션의 성능이 차이가 난다.

메모리 관점

→ stack 영역이 아닌 객체와 같이 힙에서 문자열 데이터가 생성되고 다뤄진다.

→ String name = "홍길동" → name 이라는 지역 변수는 Stack 영역에 존재하고, "홍길동"이라는 문자열의 위치 값을 가지고 있다. 해당 문자열은 힙 영역에서 생성된다.

String 클래스의 기본적인 특징

기본적으로 자바에서는 String 객체의 값은 변경할 수 없다. (Immutable)

→ 기존의 문자열에 다른 문자열을 더한다면 새로운 문자열 데이터가 생성됨

→ 즉, 문자열 값 자체는 불변이라 변경할 수 없기 때문에 새로운 문자열 데이터 객체를 대입하여 새로운 공간에 값이 할당됨 → 이런 관리 문제를 해결하기 위해 StringBuilder 와 같은 클래스를 제공함.

        String a = "Hello";
        System.out.println(a.hashCode());  // 69609650

        a+= "Java Programming";
        System.out.println(a.hashCode()); // -351927155
        // 새로운 문자열 데이터 a가 생성되어 메모리의 힙 영역에 할당되었음.

hashCode() : Object 클래스에 존재하는 메소드로, 객체의 메모리 번지를 이용해서 해시코드를 만들어 리턴하는 메소드

JVM > Heap > String Pool 에 문자열이 저장됨.

🤔자바의 String은 왜 Immutable로 설계되었을까?

보안적인 측면 : 참조 값을 변경하여 어플리케이션 보안 문제가 생길 수 있으므로 불변 처리함
멀티 쓰레드 환경에서 동기화 문제가 발생하지 않는다.
JVM에서는 따로 힙모메리 영역 안에 String Constant Pool로 관리하고 있다. 문자열을 상수화하여 다른 변수나 다른 객체들과 공유할수 있도록 제공하고 있다.
스레드 안전성 (Thread Safety):
- 불변 객체는 여러 스레드에서 동시에 접근해도 상태가 변경될 염려가 없으므로 별도의 동기화 메커니즘이 필요 없습니다. 이는 멀티스레드 환경에서 String 객체를 안전하게 공유할 수 있게 하여 동시성 문제를 크게 줄여줍니다.
- 만약 String이 가변적이었다면, 한 스레드가 문자열을 수정하는 동안 다른 스레드가 그 문자열을 읽는 경우 예측 불가능한 결과가 발생할 수 있습니다.
보안 (Security):
- String은 파일 경로, 네트워크 연결 주소, 데이터베이스 연결 정보, 사용자 비밀번호 등 민감한 정보를 저장하는 데 자주 사용됩니다.
- 만약 String이 가변적이라면, 보안 검증 후에 문자열의 내용이 예기치 않게 변경될 수 있습니다. 예를 들어, 파일 경로가 유효하다고 검증된 후 악성 경로로 변경되어 시스템에 접근하는 공격에 취약해질 수 있습니다. 불변성은 이러한 종류의 공격을 방지하는 데 도움을 줍니다.
성능 및 효율성 (Performance and Efficiency) - 특히 문자열 풀 (String Pool):
- 자바는 String 리터럴을 위한 특별한 메모리 영역인 "문자열 풀(String Pool)"을 유지합니다. 동일한 내용을 가진 문자열 리터럴이 있을 때, JVM은 새로운 객체를 생성하는 대신 풀에 있는 기존 객체를 재사용합니다.
- String이 불변이기 때문에 이러한 공유가 가능합니다. 만약 가변적이었다면, 한 곳에서 문자열이 변경되면 다른 곳에서 참조하는 모든 문자열에 영향을 미치게 되어 공유가 불가능하거나 매우 복잡해졌을 것입니다.
- 불변성은 hashCode() 값이 한 번 계산되면 캐시될 수 있도록 합니다. String은 HashMap의 키 등으로 자주 사용되는데, 이 때 해시 코드를 효율적으로 재사용할 수 있어 성능에 이점이 있습니다.
캐싱 (Caching):
- String의 해시 코드는 한 번 계산되면 변경될 필요가 없으므로 캐시될 수 있습니다. 이는 String 객체가 HashMap이나 HashSet과 같은 해시 기반 컬렉션의 키로 사용될 때 성능을 향상시킵니다.
보정된 해시 코드 (Hash Code Reliability):
- String 객체가 Map의 키로 사용될 때, 그 객체의 hashCode() 값은 변경되지 않아야 합니다. 만약 String이 가변적이고 Map에 키로 저장된 후에 내용이 변경된다면, 해당 키를 다시 찾을 수 없게 되는 문제가 발생합니다. 불변성은 이 문제를 방지합니다.
코드 가독성 및 유지보수성 (Code Readability and Maintainability):
- 불변 객체는 상태가 변하지 않으므로 코드의 흐름을 추적하고 이해하기 더 쉽습니다. 이는 버그를 줄이고 코드의 유지보수성을 높이는 데 기여합니다.

🤔자바의 문자열은 왜 두 가지 생성 방식을 지원할까?

1. 문자열 리터럴 방식 (String Literal)

예시: String s = "Hello";

동작 방식:

JVM은 String 리터럴을 만나면 먼저 **문자열 상수 풀(String Constant Pool)**이라는 특별한 메모리 영역을 확인합니다.
만약 풀에 동일한 내용을 가진 문자열이 이미 존재한다면, 새로운 객체를 생성하지 않고 풀에 있는 기존 객체의 참조를 반환합니다.
만약 풀에 동일한 내용의 문자열이 없다면, 새로운 String 객체를 풀에 생성하고 그 참조를 반환합니다.

장점:

메모리 효율성: 동일한 문자열에 대해 여러 번 객체를 생성하지 않고 재사용하므로 메모리 사용을 최적화할 수 있습니다.
성능: 기존 객체를 재사용할 수 있어 객체 생성 오버헤드를 줄입니다.
간결성: 코드가 더 간결하고 읽기 쉽습니다.

주요 사용 목적:

대부분의 경우 문자열을 선언하고 초기화할 때 사용합니다.
동일한 문자열이 여러 번 사용될 가능성이 있는 경우에 특히 효율적입니다.

2. new 연산자를 통한 생성 방식

예시: String s = new String("Hello");

동작 방식:

new 연산자를 사용하면 문자열 상수 풀을 확인하지 않고, 힙(Heap) 메모리 영역에 항상 새로운 String 객체를 생성합니다.
만약 new String("Hello")와 같이 리터럴을 인자로 전달하면, "Hello" 리터럴은 문자열 상수 풀에 생성되거나 재사용될 수 있지만, new String()에 의해 별개의 새로운 "Hello" 객체가 힙에 생성됩니다.

장점:

명시적인 새로운 객체 생성: 항상 새로운 String 객체를 생성해야 할 필요가 있을 때 사용합니다. 예를 들어, 두 문자열의 내용이 같더라도 메모리상에서 완전히 다른 객체로 존재해야 함을 보장해야 할 때 유용합니다.

단점:

메모리 비효율성: 동일한 내용의 문자열이라도 new를 사용할 때마다 새로운 객체가 생성되므로 메모리 사용량이 늘어날 수 있습니다.
성능 저하: 객체 생성 오버헤드가 발생합니다.

주요 사용 목적:

두 문자열 객체가 내용이 같더라도 서로 다른 메모리 주소를 가지도록 강제해야 할 때 (예: 특정 객체 동일성 비교가 중요한 경우).
매우 드물지만, 문자열 상수 풀에 너무 많은 문자열이 쌓여 메모리 문제가 발생할 가능성을 피하고 싶을 때 (일반적인 애플리케이션에서는 거의 고려되지 않음).
자바가 두 가지 문자열 생성 방식을 제공하는 것은 개발자가 특정 시나리오에 따라 메모리 사용과 성능을 최적화할 수 있도록 유연성을 주기 위함입니다. 대부분의 경우 문자열 리터럴 방식이 효율성과 간결성 면에서 더 권장되며, new String()은 특정 목적(예: 명시적으로 새로운 객체 생성 보장)을 위해 제한적으로 사용됩니다.

결론:

자바가 두 가지 문자열 생성 방식을 제공하는 것은 개발자가 특정 시나리오에 따라 메모리 사용과 성능을 최적화할 수 있도록 유연성을 주기 위함입니다. 대부분의 경우 문자열 리터럴 방식이 효율성과 간결성 면에서 더 권장되며, new String()은 특정 목적(예: 명시적으로 새로운 객체 생성 보장)을 위해 제한적으로 사용됩니다.

public class InternEx {
    public static void main(String[] args) {
        String str1 = "Hello";
        String str2 = new String(new char[]{'H','e','l','l','o'}).intern();

        System.out.println(str1 == str2);
        // 해당 코드의 의미는 무엇인가?
        // intern 메소드의 기능을 확인하는 코드로 이미 literal constant pool에 존재하는 문자열인지 확인하고, 존재한다면 그 주소값을 str2에 할당해줌
        // 그러므로 true를 반환함.

        String str3 = new String("Hi");
        String str4 = "Hi";

        str3 = str3.intern();
        System.out.println(str3 == str4); // true

    }
}

intern() 메소드

intern() : 자바에서 문자열을 최적화하여 관리하기 위한 메소드
문자열을 리터럴로 선언할 경우 내부적으로 String의 intern() 메소드가 호출이 된다.
해당 리터럴이 문자열 상수 풀(Literal constant pool)안에 존재하는지 확인,
풀에 존재한다면: 풀에 있는 해당 문자열 객체의 참조(주소)를 반환합니다. 즉, 현재 객체는 버려지고 풀에 있는 기존 객체를 재사용합니다.
풀에 존재하지 않는다면: 현재 String 객체를 문자열 상수 풀에 추가하고, 이 객체의 참조를 반환합니다.

public class InternEx {
    public static void main(String[] args) {
        String str1 = "Hello";
        String str2 = new String(new char[]{'H','e','l','l','o'}).intern();
        System.out.println(str1 == str2);
        // 해당 코드의 의미는 무엇인가?
        // intern 메소드의 기능을 확인하는 코드로 이미 literal constant pool에 존재하는 문자열인지 확인하고, 존재한다면 그 주소값을 str2에 할당해줌
        // 그러므로 true를 반환함.

        String str3 = new String("Hi");
        String str4 = "Hi";

        str3 = str3.intern();
        System.out.println(str3 == str4); // true

    }
}

자주 활용되는 메소드

charAt(), length(), replace(), substring() , indexOf() , contains() , split()
Class Character의 메소드
- isUpperCase() : 대문자인지 소문자인지
- isDigit() : 숫자인지 아닌지

StringBuffer 클래스

+ 연산자를 이용하여 String 인스턴스의 문자열을 결합하면, 내용이 합쳐진 새로운 String 인스턴스가 생성됨.
문자열을 많이 결합하면 할수록 메모리 낭비, 속도도 느려지는 단점이 있다.
StringBuffer 클래스는 클래스 내부에 버퍼(buffer. 데이터를 임시로 저장하는 메모리)라는 독립적인 공간을 가지고 있어 문자열을 바로 바로 추가할 수 있어 공간의 낭비 없이 문자열 연산(추가, 수정, 삭제) 속도를 빠르게 처리할 수 있다.
문자열의 수정이 빈번한 경우에 사용하는 것이 적합하며, 네트워크 상에서 데이터를 송수신하는 경우는 불변타입을 사용하는 것이 적합하다. (Ex. json 타입)

        StringBuffer sb1 = new StringBuffer();
        sb1.append("hello");
        sb1.append(" ");
        sb1.append("Java programming");
        sb1.append("!!!");

        String result1 = sb1.toString();
        System.out.println(result1);

    String str = "abcdefg";
        StringBuffer sb = new StringBuffer(str);
        System.out.println("초기 상태 : " + sb);

        // StringBuffer를 String 타입으로 변환
        System.out.println("초기 상태 : " + sb.toString());
        // str문자열에서 cd를 출력하세요
        System.out.println("문자열 추출 :" + sb.substring(2,4));

        //str문자열에 "2" 추가하세요,
        System.out.println("문자 추가 : "+sb.insert(2, "추가"));

        // sb에서 문자열을 삭제
        System.out.println("문자 삭제 : " +sb.delete(2,4));

        // sb에 문자 붙이기 : append()
        System.out.println("문자 붙이기 : "+sb.append("hijl"));

        // sb의 길이 : length()
        System.out.println("문자열의 길이 : "+sb.length());

        // buffer 용량
        System.out.println("용량 : " + sb.capacity());

        // 문자열의 역순 : reverse()
        System.out.println("문자열의 역순 : "+sb.reverse());

        // 현상태 문자열 확인
        System.out.println("마지막 상태 체크: " + sb);

티스토리툴바