불변 객체란?

[zuminzi]

문제

함수형 프로그래밍에서는 불변 객체를 이용하여 부작용(side-effect)을 최소화하고자 한다.
그렇다면 불변 객체란 무엇이고 어떤 이유로 사용하며, 이러한 불변 객체를 어떻게 만드는지 정리해보자.

관련 목차

• [18장] 함수형 관점으로 생각하기

참고자료

• [이펙티브 자바 3판] 아이템 17. 변경 가능성을 최소화하라
• [Java] 불변 객체(Immutable Object) 에 대해 알아보자 - devoong2

[zuminzi]

답변

1. Immutable(불변)이란?

• 자바의 객체 타입에는 immutable(불변) 타입과 mutable(가변) 타입이 있다.

• 불변 객체는 생성 후 그 상태를 바꿀 수 없는 객체를 의미한다.

• 단순하게 생각하면 final 키워드처럼 초기화 이후에 값을 변경할 수 없다고 생각할 수 있다.

• 하지만 불변 객체는 값 변경이 아예 불가능한 것이 아니라, 힙 영역에 저장된 값을 수정할 수 없는 것이다.

• 오직 새 객체를 만들어 래퍼런스 값을 주는 재할당만이 가능하고, 한 번 생성이 되면 신뢰할 수 있는 객체가 된다.

  • new 연산자로 객체를 생성하면 heap 영역에 객체가 생기고, 래퍼런스 값을 가지는 변수가 stack에 생길 것이다.
  • 그러나 재할당을 하면, 레퍼런스 변수가 새로운 객체를 가리키고, 기존 객체는 GC 대상이 된다.

• 재할당 예제 코드 - String Literal

  String str = "first";
  str = "second"; // 재할당

• 불변 객체의 종류

  • String
  • Boolean, Integer, Float, Long 등의 기본 자료형 래퍼 클래스
  • BigInteger, BigDecimal
  • LocalDate, LocalTime, LocalDateTime 등의 java.time 패키지의 날짜 및 시간 관련 클래스
  • unmodifiableList, unmodifiableMap 등의 java.util 패키지의 불변 컬렉션 클래스

💡 String Literal 재사용

String literal1 = "value";
        String literal2 = "value";
        String obj1 = new String("value");
        String obj2 = new String("value");

        System.out.println(literal1.equals(literal2)); // true // 문자열 값 일치
        System.out.println(literal1 == literal2); // true // 주소값 일치
        
        System.out.println(obj1.equals(obj2)); // true // 문자열 값 일치
        System.out.println(obj1 == obj2); // false // 주소값 불일치

• Java에서 String은 특이하게 Heap 영역에서 String Constant Pool이 존재하는데, String을 Literal로 생성하면 이 영역에 저장되어 재사용된다.
• 하지만 new 생성자로 생성하면 Constant Pool을 사용하지 않고, 일반적인 Heap 영역에 생성하여 재사용하지 않는다.
• 따라서, 불변성의 장점을 위해 String Literal을 이용해서 String을 생성하는 것이 권장된다.

2. 불변 클래스로 설계하는 이유

• Thread-Safe

  • 불변객체는 근본적으로 쓰레드에 안전하여 동기화를 시킬 필요가 없다.
  • 즉, 불변 객체는 synchronized를 하지 않아도 동기화가 되기 때문에 멀티스레드 성능을 향상시키고, 안심하고 공유할 수 있게 한다.

• Failure Atomicity

  • 불변객체는 그 자체로 실패 원자성(호출된 메소드가 실패하더라도 해당 객체는 메소드 호출 전 상태가 유지되어야 한다)을 제공한다.

• 객체를 만들 때 다른 불변 객체들을 구성요소로 사용하면 이점이 많다.

  • 값이 바뀌지 않는 구성요소들로 이뤄진 객체라면 불변식을 유지하기에 수월하다.
  • 예를 들어 불변 객체는 맵의 키와 Set의 원소로 쓰기에 좋다.

• 불변 객체는 자유롭게 공유할 수 있음은 물론, 불변 객체끼리는 내부 데이터를 공유할 수 있다.

  String str1 = "Hello"; // 불변 문자열 생성
  String str2 = "Hello"; // 같은 문자열을 다시 참조
  
  System.out.println(str1 == str2); // true, 같은 문자열을 공유함

  • 따라서, 자주 사용되는 값을 상수 혹은 불변 타입 클래스로 정의하여 재사용하면 메모리를 절약할 수 있다.

  • 또한, 불변 클래스를 생성하는 정적 팩토리 메서드를 통해 자주 사용되는 인스턴스를 캐싱하여 같은 인스턴스를 중복 생성하지 않게 한다.

    • Wrapper Class, BigInteger가 이에 해당한다.

    // Integer.valueOf()는 Integer 객체를 생성하는 정적 팩토리 메서드이다.
    public static Integer valueOf(int i) {
         if (i >= IntegerCache.low && i <= IntegerCache.high)
             return IntegerCache.cache[i + (-IntegerCache.low)];
         return new Integer(i);
     }

💡 불변 클래스 고려 사항 - 인스턴스 생성 비용

객체를 다시 생성한다는 개념은 JavaBeans에서 생성된 개념에 대해 비효율적인 것처럼 보일 수 있다. 그러나 JDK의 거의 모든 release는 성능을 향상시키고, JDK를 발전시키는 엔지니어들은 빠른 객체 생성과 가비지 수집에 특히 열심히 노력한다. 그 결과, 메서드 호출 내에서만 존재하는 등의 수명이 짧은 데이터 객체의 생성과 재생성은 요즘 매우 빠르다.
(출처: javamagazine by Ian Darwin)

3. 불변 클래스(객체)를 만드는 방법

1. 상태를 변경하는 메서드 (setter 메서드 등) 을 제공하지 않는다.
2. Class 가 확장하지 않도록 한다 (final class)
3. 모든 필드에 final으로 선언한다.
4. 모든 필드를 private로 선언한다.
5. 자신을 제외하고는 가변 컴포넌트에 접근 불가하도록 만든다.
   • final을 선언하고 setter를 없애도 참조되는 객체가 불변객체가 아니라면 접근하여 값 조작이 가능하다. (예제코드)
   • 따라서 불변객체가 되려면 불변 객체의 내부 필드(참조 객체) 또한 불변으로 선언하거나 방어적 복사(객체의 주소를 복사하지 않고 객체의 내부 값을 참조하여 복사하는 방법)를 이용해 참조관계를 끊어주어야 한다.

• 불변 클래스 예제 코드

  @Entity
  @Setter  
  @Getter
  public class Member { // Entity
      @Id
      private Long id;
      private String name;
      private int age;
  }
  @Getter
  public class MemberDto { // DTO 역할을 하는 VO (DTO와 VO의 개념은 엄연히 다르나, 실무에선 혼용해서 사용한지 오래라 바꾸는 게 쉽지 않다고도 한다..)
    	  private final String name;
      private final int age;
      private MemberDto(String name, int age) {
          this.name = name;
          this.age = age;
      }
      public static final MemberDto from (Member m) {
    	  return new MemberDto(m.getName(), m.getAge());
      }
  }

  • RESTful API 개발할 때 요청하고 응답하는 객체를 Entity, VO나 DTO 객체 등으로 분리하여 사용하곤 하는데, 실무에서는 이와 같이 불변 클래스를 이용하여 불변성을 강제하기도 한다.
    • name과 age 필드는 final로 선언되어 수정할 수 없다.
    • MemberDto 클래스는 생성자를 통해서만 객체를 생성하며, 생성자에서 초기화된 값은 이후 변경할 수 없다.
    • 외부에서 Member를 통해 MemberDto를 생성할 때에는 정적 팩토리 메서드인 from 메서드를 통해 Member 객체의 데이터를 복사하여 MemberDto 객체를 생성한다.
      • 이는 MemberDto 객체와 Member 객체 간에 데이터 공유를 방지하고 MemberDto 객체가 Member 객체의 상태에 영향을 미치지 않도록 한다.

• 불변 클래스 예시 - BigInteger

  • BigInteger 클래스는 불변 클래스이지만 Integer 클래스에서 설명했던 내용과 다른 부분이 존재한다.
  • 첫 번째로, 일부 필드를 private로 선언하지 않고 package-private로 선언하였다는 점이다.
  • 사실 위에서 설명한 원칙들은 다소 과하기 때문에 필요하다면 일부 완화할 수 있다. package-private도 높은 수준의 접근 제어자이기 때문에 어느 정도 수용 가능하다.
  • 하지만 private로 선언하지 않은 것과는 다르게 BigInteger를 개발할 때 큰 실수를 하였는데, 바로 상속을 못하도록 방어하지 않았다. 불행히도 하위 호환성 때문에 이는 고쳐지지 않고 사용되고 있다.
  • 그러나 나머지 구현 부분은 불변 클래스의 규칙을 따른다.

4. 결론

• 불변 객체는 Thread safe 하고, 예외가 발생해도 유효한 상태를 유지하며, 값이 다르다면 무조건 독립적인 객체로 생성된다.
• 책 Effective Java에서는 “클래스들은 가변적이여야 하는 매우 타당한 이유가 있지 않는 한 반드시 불변으로 만들어야 한다. 만약 클래스를 불변으로 만드는 것이 불가능하다면, 가능한 변경 가능성을 최소화하라.” 라고 말한다.
• 객체가 가질 수 있는 상태의 개수가 줄어드는 것은 그 객체를 예측하기가 쉬워지고 오류가 발생할 가능성도 줄어들게 되기 때문이다.

References

• Why is Java making so many things immutable? - Oracle Blogs
• [Effective Java] 아이템 17 - 변경 가능성을 최소화하라
• [이펙티브 자바 3판] 아이템 17. 변경 가능성을 최소화하라
• [이펙티브 자바] 규칙15. Immutable(불변) 클래스
• 자바의 String 객체와 String 리터럴
• Java - 불변객체(Immutable Object)에 대해
• [Java] Mutable과 Immutable - 최블랙의 개발로그
• [Java] Immutable, Synchronized
• [Effective Java] 불변 클래스 (Immutable class)
• [Java] 불변객체(Immutable Object)에 대해 알아보자