자바 불변 객체와 메모리 구성

자바 깊이 알기 / Immutable 객체와 메모리 구성

아래 코드를 먼저보고 출력 값을 고민해보자.

 

class App2 {
    public static void main(String[] args) throws Exception{
        Integer i = 10;
        
        changeInteger(i);
        
        System.out.println(i);
    }
    
    static void changeInteger(Integer a){
        a = 20;
    }
}

 

Integer는 int와 다르다. 참조 타입이기 때문에 힙 영역에 있는 객체를 참조할 것이고, changeInteger 에서 a는 힙에 있는 그 객체 자체를 가리키기 때문에 i 값이 변경되어야 하는건 아닐까.

 

 

 

틀렸다. Integer는 Immutable 형이다. Integer class를 까보면 아래와 같다. 

 

public final class Integer extends Number implements Comparable<Integer> {
    public static final int MIN_VALUE = -2147483648;
    public static final int MAX_VALUE = 2147483647;
    private final int value;
}

 

일단 이 부분만으로 좀 해석하면 Integer 클래스는 Number를 상속하였고, Comparable<Integer>를 구현했다. class 앞에 final class로 상속을 제한하였다.MIN_VALUE와 MAX_VALUE는 public static final 상수로, Integer 클래스 전체에서 최대, 최소 값으로 고정이 되어 있는 값이다.

 

가장 중요한 value는 private final int 타입 변수였다. 최초 한 회 정수 값이 대입되고 이후로는 변경이 불가능한 객체인 것을 확인할 수 있다. final이 오는데 static이 안붙어 이상한가. 전혀 문제 있는, 이상한 부분이 아니다. MIN_VALUE 처럼 static final로 값을 클래스 전체에서 고정하는 상수가 많긴 하지만, final이라도 static이 반드시 붙어야하는건 아니다. value가 클래스 멤버였으면 모든 Integer 객체가 같은 값을 갖으니 말도 안된다.

 

어쨌든, 이렇게 생성 이후 상태가 변할 수 없는 객체를 불변(Immutable) 객체라고 한다. 하지만 위 코드에서 Integer 형이 불변 객체라 i의 값이 변화되지 않는게 아니다. 다시 아래 코드를 보자.

 

class App2 {
    public static void main(String[] args) throws Exception{
        MyClass i = new MyClass(10);

	changeInteger(i);

        System.out.println(i.value);
    }

    static void changeInteger(MyClass a){
        a.value = 20;
    }
}

class MyClass{
    public Integer value;

    public MyClass(int x){
        value = x;
    }
}

 

아래 코드의 출력 값은 20으로 생성 시 i.value는 10에서 함수 호출 후 20으로 변경된 것이다. 불변이라면서 이번에는 또 바뀌었다. 이 두 코드의 동작 원리를 메모리 구조와 함께 알아보려고 한다.

 

메모리 구조 : 예제 1번

먼저 안바뀌었던 첫 번째 코드이다.

 

class App2 {
    public static void main(String[] args) throws Exception{
        Integer i = 10;
        
        changeInteger(i);
        
        System.out.println(i);
    }
    
    static void changeInteger(Integer a){
        a = 20;
    }
}

 

사실 아까 메모리 구조도 맞긴 맞지만 Integer a 에 20을 대입하는 부분이 빠졌다. 우선 changeInteger를 호출하면 Integer a = i으로, a가 heap 영역에서 value가 10인 Integer 객체를 같이 참조하는 것까지는 맞다. 

 

 

그리고 a에 20을 대입한 순간 Integer는 불변 객체기 때문에 위 그림에서 10이 20으로 변하는 것이 아니라 value가 20인 Integer 객체가 하나 더 생겨 a가 그 객체를 참조한다.

 

 

객체 identityHashCode를 출력해보면 예상했던 것과 같음을 알 수 있고, 그래서 changeInteger frame이 pop 되더라도, i가 참조하는 객체는 value가 10으로 그대로 이므로 변화가 없는 것이다.

 

class App2 {
    public static void main(String[] args) throws Exception{
        Integer i = 10;
        System.out.println("before i : "+System.identityHashCode(i));
        changeInteger(i);
        System.out.println("after i : "+System.identityHashCode(i));
    }

    static void changeInteger(Integer a){
        System.out.println("before a : "+System.identityHashCode( a));
        a = 20;
        System.out.println("after a : "+ System.identityHashCode(a));
    }
}

 

 

before i : 1607521710
before a : 1607521710
after a : 1389133897
after i : 1607521710

 

메모리 구조 : 예제 2번

이번에는 class를 끼고 value를 변경하면 메모리가 어떻게 변할지 보여주겠다. 다시 아래 코드를 보자.

 

class App2 {
    public static void main(String[] args) throws Exception{
        MyClass i = new MyClass(10);

	changeInteger(i);

        System.out.println(i.value);
    }

    static void changeInteger(MyClass a){
        a.value = 20;
    }
}

class MyClass{
    public Integer value;

    public MyClass(int x){
        value = x;
    }
}

 

changeInteger가 호출되기 이전의 그림은 다음과 같다. MyClass 객체가 Heap에 생기고 frame_main의 i는 그 객체를 참조한다. MyClass 객체는 다시 value가 10인 Integer를 참조한다.

 

 

changeInteger가 실행되면 MyClass 형 변수 a에 i가 대입되면서 a는 i가 가리키는 객체를 같이 가리키게된다. 여기까지는 위 예시와 같다.

 

 

그리고 a.value = 20이 대입되면 마찬가지로 heap에 value가 20인 새로운 Integer 객체를 생성하여 a와 i가 참조하고 있는 MyClass의 value가 참조하게 된다.

 

 

따라서 changeInteger 프레임이 종료되어도 i가 가리키고 있는 MyClass의 value 값은 20으로 고정되는 것이다. 

 

 

Immutable을 사용하는 이유

정리하면서 불변 객체가 왜 필요할까 고민해보았다. 스레드에 안전하다, 보안에 좋다 등의 얘기를 다른 블로그에서 찾을 수 있었지만, 그 중에서도 가장 와닿았던건 재사용을 위한 캐싱이다.

 

예를 들면 String이 중복이 많은 경우, 모든 String 변수의 문자열 값을 위해 heap에 String 객체가 마구 만들어지는 것이 아니라, 사용한 String을 StringPool에 저장하고, 이 후 그 값을 사용하게 된다면 그 곳을 동일하게 참조하게 하면 되도록 한다. 반대로 중복이 적고 변화가 많은 경우 StringBuilder 처럼 가변 객체를 사용해서 캐시 없이 객체로 관리할 수 있다.

 

StringBuilder와 String, StringPool을 모른다면 맨 아래 링크를 참조하길 바란다.

 

Integer의 캐시

그럼 Integer에도 캐시가 사용되었던 걸까. 그렇다. 아래 코드에서 a와 b는 같은 Integer 객체를 참조한다.

 

class App2 {
    public static void main(String[] args) throws Exception{
        Integer a = 10;
        Integer b = 10;

        System.out.println(System.identityHashCode(a)); //1607521710
        System.out.println(System.identityHashCode(b)); //1607521710
    }
}

 

 

 

 

Integer는 클래스 내에서 -128~127 사이의 값을 캐시 처리한다. 그 부분은 Java 11 기준으로 다음과 같이 구현되어 있다. 

 

private static class IntegerCache {
        static final int low = -128;
        static final int high;
        static final Integer[] cache;

        private IntegerCache() {
        }

        static {
            int h = 127;
            String integerCacheHighPropValue = VM.getSavedProperty("java.lang.Integer.IntegerCache.high");
            int i;
            if (integerCacheHighPropValue != null) {
                try {
                    i = Integer.parseInt(integerCacheHighPropValue);
                    i = Math.max(i, 127);
                    h = Math.min(i, 2147483518);
                } catch (NumberFormatException var4) {
                }
            }

            high = h;
            cache = new Integer[high - -128 + 1];
            i = -128;

            for(int k = 0; k < cache.length; ++k) {
                cache[k] = new Integer(i++);
            }

            assert high >= 127;
        }
    }

 

@HotSpotIntrinsicCandidate
public static Integer valueOf(int i) {
  return i >= -128 && i<=Integer.IntegerCache.high ? Integer.IntegerCache.cache[i + 128] : new Integer(i);
}

 

초기화 블럭에서 Integer 배열을 생성하고, Integer 를 미리 넣어두고, 받을 객체의 value가 범위 내의 값이면 cache에서 꺼내 반환, 범위 밖의 경우에는 새로 Integer 객체를 생성하여 반환하는 것이다.

 

정리

개인적으로 굉장히 중요한 내용이라고 생각한다. Immutable 개념도 중요하지만, 직접 메모리가 어떻게 사용되는지, 어떻게 값이나 객체가 참조되는지 그려보는 시간이 필요하다고 생각한다.

 

'자바 깊이 알기'를 정리하면서 나에게 정말 많은 도움이 되었고, 가장 애착이 있는 포스팅들인 것 같다.

 

자바를 처음 공부하는 사람들이 놓칠 수 있지만 사실은 중요한 원리를 다루고 싶다. 다른 사람들이 내 '자바 깊이 알기'에 도움을 받으면 기쁠 것 같다.  

 

 

자바 / String , StringBuffer, StringBuilder / String Pool