불변 객체(Immutable Object)에 대하여

기초를 다시 한번 다듬고 가자는 의미에서 자바 기본서를 읽다가 아래와 같은 예제 코드를 접하게 되었다. 글을 시작하기 전에 아래 코드를 보고 결과를 추측해보자.

public class ImmutableExam  { 
public static void main(String[] args) {

        List<Integer> first = new ArrayList<>();
        first.add(0);
        first.add(1);
        first.add(2);

        List<Integer> second  = first;

        first.add(3);

        System.out.println(second.toString());
    }
}

이 글을 읽고계시는 분들 중에서도 며칠전의 나처럼 결과 값을[0,1,2] 라고 라고 추측하신 분들이 분명히 있을것이다.

하지만 이 코드의 실행 결과는[0,1,2,3] 이다.😮

위 작성한 예제 코드는 '얕은 복사'로, 참조의 의한 복사가 이루어졌기 때문에 동일한 주소값을 가지는 first 와 second 모두 값이 변경되는 것이다.

[0,1,2]를 출력하기 위해서는 아래와 같이 코드를 작성하면 된다.

  public static void main(String[] args) {

        List<Integer> first = new ArrayList<>();
        first.add(0);
        first.add(1);
        first.add(2);
        List<Integer> second = new ArrayList<>();
        for (Integer i : first) {
            second.add(i);
        }
        first.add(3);
        System.out.println(second.toString());
    }

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사실 위의 내용은 5분정도만 투자해도 바로 이해할 수 있는 내용이다. 이 글을 포스팅하는 이유는 위 내용을 공부하면서 알게된 자바의 '불변 객체'에 대해서 기록해두기 위함이다.

Immutable Object의 정의

자바와 같은 객체 지향 프로그래밍에 있어서 불변객체(Immutable Object)는 생성 후 그 상태를 바꿀 수 없는 객체를 말한다. (위키디피아 불변 객체 정의)

• 불변 객체를 만드는 기본적인 메커니즘은 필드에 final 키워드를 선언하고, Setter메소드를 구현하지 않는 것이다.

그렇다면, 단순히 "변수에 final 키워드만 붙이면 불변객체가 될 수 있을까? " 아래 예제 코드를 보면서 이 질문에 대한 답을 생각해보자.

//KI 라는 사람의 정보를 저장하는 객체
public class KIInformation {
    private int age;
    private String hobby;

    public KIInformation(int age, String hobby) {
        this.age =age;
        this.hobby =hobby;
    }

    public void setAge(int age){
        this.age = age;
    }
    public void setName(String hobby) {
        this.hobby=obby;
    }
}

public class Person {
    private final KIInformation kiInformation;

    public Person(KIInformation information) {
        this.kiInformation = information;
    }
}

위의 Person은 불변 객체 일까?

정답은 'No' 다. KIInformation 라는 참조 변수가 final로 선언되었고, setter메소드 역시 존재하지 않는데도 불변객체가 아닌 이유는 Person객체가 포함하고 있는 참조 변수 KIInformation 객체가 불변 객체가 아니기 때문이다.

단순히 final키워드 선언과 setter 메소드를 작성하지 않는것으로 불변 객체를 만들수 있는 경우는 객체의 필드가 모두 원시 타입(primitive type) 일 경우에만 성립하는 조건이다.

즉, 참조 타입을 포함하는 객체를 불변으로 만들기 위해서는 참조 타입의 객체 또한 final 처리와 setter메소드를 작성하지 말아야 한다.

Person 객체가 불변 객체가 아닐 경우 발생할 수 있는 문제점과 불편함에 대하여 알아보자.

1. 의도치 않은 사이드 이펙트(side effect) 발생

 public static void main(String[] args) {
        KIInformation information = new KIInformation(26,"programming");
        Person person1 = new Person(information);

        information.setAge(27);
        information.setHobby("soccer");

        Person newPerson = new Person(information);

    }

맨 처음에 보았던 예제와 비슷한 내용이다.

KIInformation 객체에 26 이라는 나이와 "programming" 이라는 취미를 부여하고, person1객체의 인자로 전달했다.

이 후 1년이라는 시간이 지나서 나이도 1살 먹었고, 취미도 바뀌었다. 따라서 변경된 정보로 newPerson 을 새로 만들기 위해 이전에 사용했던 KIInformation 객체를 재사용 하려고 한다.

setter메소드를 이용해 27이라는 나이와 "soccer" 라는 변경된 취미로 데이터를 변경하고 newPerson객체의 인자로 전달했다.

앞에서 이미 공부를 했기때문에 person1객체의 값도 아래 결과처럼 우리의 의도와 다르게 데이터가 변경되었을거라고 예상할 수 있다.

 

*즉, 불변 객체로 설계하지 않았기 때문에 사이드 이펙트가 발생한 것이다. *

person1 : [age=27, hobby='soccer']
newPerson : [age=27, hobby='soccer']

2. 불필요한 방어적 복사(defensive copy) 구현

객체를 불변으로 구현하지 않았기 때문에 KIInformation 객체처럼 다른 객체에서 재사용 될 가능성이 있는 객체가 변경되는 것을 대비하여 ,객체 내부적으로 새로운 객체를 만들어 위와 같은 문제를 방지하는 코드를 의미한다.

 public KIInformation addAgeAndChangeHobby(int plusAge, String hobby) {
        return new KIInformation(age+plusAge,hobby);
    }

이렇게 위의 코드처럼 객체 내부에서 새로운 객체를 만들어 1번과 같은 사이드 이펙트 문제를 해결하는 것이 가능하다.

public static void main(String[] args) {
        KIInformation information = new KIInformation(26,"programming");
        Person person1 = new Person(information);

        Person person2 = new Person(information.addAgeAndChangeHobby(1,"soccer"));
    }

person1 : [age=26, hobby='programming']
newPerson : [age=27, hobby='soccer']

하지만, 호출자가 컴포넌트 내부를 수정하지 않으리라 확신한다면즉, 애초에 불변 객체로 설계한다면 이러한 방어적 복사를 생략할 수가 있다. 또한 방어적 복사에는 성능 저하가 따르고 항상 사용할 수 있지도 않다.

(같은 패키지에 속하는 등의 이유로)

예제를 불변으로 고쳐보자.

위에서 공부한 내용을 바탕으로 이 예젱서 사용했던 예시 클래스를 불변으로 바꾸는것은 그리 어렵지 않을것이다.

public class KIInformation {
    private final int age;
    private final String hobby;

    public KIInformation(int age, String hobby) {
        this.age =age;
        this.hobby =hobby;
    }
}

이렇게, 참조하는 객체까지 불변으로 설계해주자.

결론1 : 클래스를 불변으로 만들기 위한 규칙

1. 객체의 상태를 변경하는 메서드(setter)를 제공하지 않는다.
2. 클래스를 확장(상속)할 수 없도록 한다.
3. 모든 필드를 final로 선언한다.
4. 모든 필드를 private로 선언한다.

결론2: 불변객체를 사용함으로써 얻는 이점

1. 외부에서 임의로 내부의 값을 제어할 수 없다. 따라서 객체의 자율성이 보장되며, 프로그램 내에서 변하지 않는 고정된 부분이 많아짐으로써 프로그램의 안정도를 높일 수 있다.
2. 추가적인 방어적 복사본을 만들 필요가 없다.
3. 사이프 이팩트가 발생할 확률을 줄일 수 있다.
4. 스레드에 안전하기 때문에, 스레드가 동시에 사용해도 절대 훼손되지 않는다.

 

reference

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이펙티브 자바 : 17장. 변경 가능성을 최소화하라.