클래스와 인터페이스 - 아이템 17. 변경 가능성을 최소화하라

변경 가능성을 최소화하라

불변 클래스란?

불변 클래스란 간단히 말해 그 인스턴스의 내부 값을 수정할 수 없는 클래스다. 불변 인스턴스에 간직된 정보는 고정되어 객체가 파괴되는 순간까지 절대 달라지지 않는다. Java의 String, 기본 타입의 박싱된 클래스들, BigInteger, BigDecimal이 여기에 속한다. 불변 클래스는 가변 클래스보다 설계하고 구현하고 사용하기 쉬우며, 오류가 생길 여지도 적고 훨씬 안전하다.

 

불변 클래스를 만들기 위한 다섯 가지 규칙

1. 객체의 상태를 변경하는 메서드(변경자)를 제공하지 않는다.

 

2. 클래스를 확장할 수 없도록 한다. 하위 클래스에서 부주의하게 혹은 나쁜 의도로 객체의 상태를 변하게 만드는 사태를 막아준다. 상속을 막는 대표적인 방법은 클래스를 final로 선언하는 것이다.

 

3. 모든 필드를 final로 선언한다. 시스템이 강제하는 수단을 이용해 설계자의 의도를 명확히 드러내는 방법이다. 새로 생성된 인스턴스를 동기화 없이 다른 스레드로 건네도 문제없이 동작하게끔 보장하는 데도 필요하다.

 

4. 모든 필드를 private로 선언한다. 필드가 참조하는 가변 객체를 클라이언트에서 직접 접근해 수정하는 일을 막아준다. 기술적으로는 기본 타입 필드나 불변 객체를 참조하는 필드를 public final로만 선언해도 불변 객체가 되지만, 이렇게 하면 다음 릴리스에서 내부 표현을 바꾸지 못하므로 권하지는 않는다.

 

5. 자신 외에는 내부의 가변 컴포넌트에 접근할 수 없도록 한다. 클래스에 가변 객체를 참조하는 필드가 하나라도 있다면 클라이언트에서 그 객체의 참조를 얻을 수 없도록 해야 한다.

 

불변 클래스의 예

public class Complex {
    private final double re;
    private final double im;

    public Complex(double re, double im) {
        this.re = re;
        this.im = im;
    }

    public double realPart() {
        return re;
    }

    public double imaginary() {
        return im;
    }

    public Complex plus(Complex c) {
        return new Complex(re + c.re, im + c.im);
    }

    public Complex minus(Complex c) {
        return new Complex(re - c.re, im - c.im);
    }

    public Complex times(Complex c) {
        return new Complex(re * c.re - im * c.im, re * c.im + im * c.re);
    }

    public Complex dividedBy(Complex c) {
        double tmp = c.re * c.re + c.im * c.im;
        return new Complex((re * c.re + im * c.im) / tmp, (im * c.re - re * c.im) / tmp);
    }

    @Override
    public boolean equals(Object o) {
        if (o == this)
            return true;
        if (!(o instanceof Complex))
            return false;
        Complex c = (Complex) o;

        return Double.compare(c.re, re) == 0 && Double.compare(c.im, im) == 0;
    }

    @Override
    public int hashCode() {
        return 31 * Double.hashCode(re) + Double.hashCode(im);
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "(" + re + " + " + im + "i)";
    }
}

위 클래스는 복소수(실수부와 허수부로 구성된 수)를 표현한다. Object의 메서드 몇 개를 재정의했고, 실수부와 허수부 값을 반환하는 접근자 메서드(realPart, imaginaryPart)와 사칙연산 메서드(plus, minus, times, dividedBy)를 정의했다.

사칙연산 메서드들은 인스턴스 자신을 수정하지 않고, 새로운 Complex 인스턴스를 만들어서 반환한다. 이처럼, 피연산자에 함수를 적용해 그 결과를 반환하지만, 피연산자 자체는 그대로인 프로그래밍 패턴을 함수형 프로그래밍이라고 한다.

또한 메서드 이름으로 add와 같은 동사 대신 plus 같은 전치사를 사용한 점에도 주목해야 한다. 이는 해당 메서드가 객체의 값을 변경하지 않는다는 사실을 강조하려는 의도이다.

 

불변 객체

1. 불변 객체의 장점

1. 불변 객체는 단순하다. 불변 객체는 생성된 시점의 상태를 파괴될 때까지 그대로 간직한다. 모든 생성자가 클래스 불변식을 보장한다면 그 클래스를 사용하는 프로그래머가 다른 노력을 들이지 않더라도 영원히 불변으로 남는다.

 

2. 불변 객체는 근본적으로 스레드 안전하여 따로 동기화할 필요가 없다. 여러 스레드가 동시에 사용해도 절대 훼손되지 않는다.

 

3. 불변 객체에 대해서는 그 어떤 스레드도 다른 스레드에 영향을 줄 수 없으니, 불변 객체는 안심하고 공유할 수 있다.

 

4. 불변 객체는 그 자체로 실패 원자성을 제공한다. 상태가 절대 변하지 않으니 잠깐이라도 불일치 상태에 빠질 가능성이 없다. 여기서 실패 원자성이란, 메서드에서 예외가 발생한 후에도 그 객체는 여전히 호출 전과 똑같은 상태여야 한다는 성질이다.

 

2. 불변 객체의 단점

불변 클래스에도 단점은 있다. 값이 다르다면 반드시 독립된 객체로 만들어야 한다는 것이다. 값의 가짓수가 많다면 이들을 모두 만드는 데 큰 비용을 치러야 한다. 이에 대처하는 방안은 흔히 쓰일 다단계 연산들을 예측하여 기본 기능으로 제공하는 방법이다.

다단계 연산이란 단계를 가지고 이루어지는 연산이다. 이러한 다단계 연산을 사용하면, 객체를 완성하기까지 단계가 많고, 중간 단계의 객체들이 모두 버려지면 성능 문제가 생길 수 있다.

불변 클래스인 String을 예로 들자면, String의 가변 동반 클래스로는 StringBuilder, StringBuffer가 있다.

 

불변 클래스를 만드는 방법

클래스가 상속하지 못하게 하는 가장 쉬운 방법은 final 클래스로 선언하는 것이지만, 더 유연한 방법이 있다. 모든 생성자를 private 혹은 package-private으로 만들고, public 정적 팩토리를 제공하는 방법이다.

 

public class Complex {
    private final double re;
    private final double im;
    
    /** private 생성자 */
    private Complex(double re, double im) {
        this.re = re;
        this.im = im;
    }
    
    /** 정적 팩토리 메서드 */
    public static Complex valueOf(double re, double im) {
        return new Complex(re, im);
    }
    ...
}

다음 코드는 Complex 클래스를 위 방식으로 구현한 것이다. 패키지 바깥의 클라이언트에서 바라본 이 불변 객체는 사실상 final이다. public이나 protected 생성자가 없으니, 다른 패키지에서는 이 클래스를 확장하는 게 불가능하기 때문이다. 정적 팩토리 방식은 다수의 구현 클래스를 활용한 유연성을 제공하고, 이에 더해 다음 릴리스에서 객체 캐싱 기능을 추가해 성능을 끌어올릴 수도 있다.

 

최종 정리

클래스는 꼭 필요한 경우가 아니라면 불변이어야 한다. 불변 클래스는 장점이 많으며, 단점이라곤 특정 상황에서의 잠재적 성능 저하뿐이다. 단순한 값 객체는 항상 불변으로 만드는 것이 좋다. String과 BigInteger처럼 무거운 값 객체도 불변으로 만들 수 있는지 고심해야 한다. 성능 때문에 어쩔 수 없다면 불변 클래스와 쌍을 이루는 가변 동반 클래스를 public 클래스로 제공하도록 해야 한다.

한편, 모든 클래스를 불변으로 만들 수는 없다. 불변으로 만들 수 없는 클래스라도 변경할 수 있는 부분을 최소한으로 줄여야 한다. 다른 합당한 이유가 없다면 모든 필드는 private final이어야 한다.

생성자는 불변식 설정이 모두 완료된, 초기화가 완벽히 끝난 상태의 객체를 생성해야 한다. 확실한 이유가 없다면, 생성자와 정적 팩토리 외에는 그 어떤 초기화 메서드도 public으로 제공해서는 안 된다.

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출처

ㆍ 이펙티브 자바 Effective Java 3/E. 조슈아 블로크 저자(글) · 개앞맵시(이복연) 번역