Java - 문자열 클래스

String

String이란?

public final class String implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence {

    /** The value is used for character storage. **/
    private final char value[];
    
    ...
}

String 클래스는 불변 객체이다. String 클래스의 문자열을 저장하는 char []을 보면 final로 선언되어 있고, 해당 배열을 재할당하는 코드는 존재하지 않는다.

따라서, 한 번 할당한 문자열을 변경하는 것은 불가능하며, 더하기 연산을 하여 문자를 이어 붙일 때는 새로운 객체가 생성되어 재 할당된다.

 

String s = "hello";
System.out.println(s.hashCode());   // 99162322
s += " world";
System.out.println(s.hashCode());   // 1776255224

위 코드에서 알 수 있듯이 hashCode가 달라지기 때문에 두 객체는 다른 객체라고 볼 수 있다. 반복적으로 문자열을 이어 붙이다 보면 Heap 영역에서 참조를 잃은 문자열 객체가 계속해서 쌓이게 된다. 나중에 Garbage Collection에 의해서 해제되겠지만 메모리 관리 측면에서 보면 결코 좋은 코드라고 할 수 없다. 또한 계속해서 객체를 생성하기 때문에 연산 속도 측면에서도 성능이 떨어지게 된다.

 

String Pool

 

'=' 연산자를 통해 값을 String에 대입하면 Heap 영역 내에 있는 String Pool이라는 공간에 문자열이 저장되고, new 연산자를 통해 String을 만들면 String Pool이 아닌 일반 Heap 영역 어딘가에 저장된다. 두 가지 방식 모두 Heap 영역에 저장되는 것은 동일한데, String Pool에 값이 저장되면 어떠한 이점이 있는 것일까?

'=' 연산자를 통해 값을 String에 대입하는 방식을 String literal이라고 하는데, String literal로 생성한 객체는 String Pool의 메모리 주소를 가리키게 된다. 따라서, 똑같은 String literal 객체가 생성될 경우 같은 값의 주소를 가리키게 되므로 하나의 메모리를 재사용할 수 있다.

반면에, 일반적인 new 연산자를 통해 String을 만드는 방식은 String Pool에 해당 값이 있더라도 Heap 영역 내 별도의 메모리를 할당하여 주소를 가리키게 된다.

 

String a = "Cat";
String b = "Cat";
String c = new String("Cat");
System.out.println(a == b);   // true
System.out.println(a == c);   // false

a와 b는 String Pool의 동일한 주소를 가리키고 있고, c는 별도로 생성한 메모리의 주소를 가리키므로 서로 참조하는 주소가 다르다는 것을 확인할 수 있다.

 

String의 불변성

앞서 String은 불변 객체라고 이야기하였다. 만약 String이 가변 객체라면 String Pool을 사용할 수 없을 것이다. 이러한 이유는 다음과 같다.

위 코드에서 String Pool의 "Cat"이 위치한 주소를 a와 b가 가리키고 있는데, String이 가변 객체라면 a = "Dog"로 바꾸는 순간 b는 더 이상 "Cat"이 아닌 "Dog"를 가리키게 된다. 따라서 String Pool의 재사용성을 위해 String은 불변 객체로 설계해야 한다.

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StringBuilder

StringBuilder란?

String Pool의 장점은 알았지만, 문자열의 변화가 상당히 많아서 String 객체를 사용하게 되면 여전히 성능 이슈가 발생한다. 이러한 경우에는 String 객체를 하나로 두고, 내부 상태를 변경하는 가변 객체로 만드는 것이 좋은데, Java에서는 StringBuilder와 StringBuffer를 지원한다.

 

abstract class AbstractStringBuilder implements Appendable, CharSequence {

    /** The value is used for character storage **/
    char[] value;
    
    ...
}

StringBuilder는 AbstractStringBuilder 클래스의 상속을 받는데, 위 코드와 같이 내부 상태를 변경할 수 있도록 설계가 되어 있다. 그리고 문자를 이어 붙이기 위해서는 append() 메서드를 사용하는데, char [] 배열의 길이를 늘리고 해당 배열에 문자열을 더하는 방식으로 구현되어 있다. char [] 배열인 value에 사용되지 않고 남아 있는 공간에 새로운 문자열이 들어갈 정도의 크기 있을 때는 그대로 문자열을 삽입한다. 그렇지 않다면 value의 크기를 약 2배로 증가하여 기존의 문자열을 복사하고 새로운 문자열을 삽입하는 방식이다.

 

StringBuilder s = new StringBuilder("hello");
System.out.println(s.hashCode());   // 859417998
s.append("world");
System.out.println(s.hashCode());   // 859417998

또한, String과 달리 StringBuilder 객체 자체를 새롭게 만드는 것이 아니기 때문에, StringBuiler 객체의 주소는 유지된다. 위 코드와 같이 hashCode의 값이 동일한 것을 확인할 수 있다.

문자열에 이어 붙이는 작업이 많은 경우에는 StringBuilder를 사용하는 것이 좋은 선택이다.

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StringBuffer

StringBuffer란?

StringBuffer는 대부분의 메서드에 synchronized가 적용되어 있어 멀티 스레드 환경에서 thread-safe 하게 동작한다. 한마디로 동기화를 지원하는 StringBuilder라고 생각하면 된다.

 

@Override
public synchronized StringBuffer append(CharSequence s) {
    toStringCache = null;
    super.append(s);
    return this;
}

다만, 무식하게 모든 메서드에 대해 synchronized를 통해 blocking을 거는 것은 성능상 좋지 않다. 또한, synchronized 메서드 하나를 여러 스레드가 호출하는 것은 thread-safe 한 것이 맞지만, 여러 synchronized 메서드로 이루어진 하나의 메서드를 여러 스레드가 호출하는 경우에는 thread-safe하지 않을 수 있다.

 

public class StringBufferTest {

    private static final StringBuffer sb = new StringBuffer();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        String[] names = {"A", "B", "C", "D", "E", "F", "G", "H", "I", "J"};
        String[] values = {"a", "b", "c", "d", "e", "f", "g", "h", "i", "j"};

        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            final int j = i;
            Thread thread = new Thread(() -> addProperty(names[j], values[j]));
            thread.start();
        }
        new Thread(() -> System.out.println(sb.toString())).start();
    }

    public static void addProperty(String name, String value) {
        if (value != null && value.length() > 0) {
            if (sb.length() > 0) {
                sb.append(', ');
            }
            sb.append(name).append('=').append(value);
        }
    }
}

위 코드에서 addProperty() 메서드는 StringBuffer의 synchronized 된 length() 메서드와 append() 메서드를 혼합하여 사용하고 있고, 총 10개의 스레드가 addProperty() 메서드를 호출하고 있다. 개발자가 의도한 방식은 사전 순으로 “A=a, B=b, ..."는 아니더라도, “A=a, C=c, ...” 처럼 알파벳 간을 콤마(,)로 나누고 싶어 할 것이다.

 

C=c,J=j,A=a,H=h,G=g,,E=Be=b,F=f,D=d,I=i

하지만 위 결과와 같이 중간에 콤마(,)가 두 번 들어간 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과가 발생하는 예상 시나리오는 아래와 같다.

 

1. 1번 스레드가 sb.length() 메서드를 호출하였고, 나머지 스레드는 모두 blocked 상태가 되었다.

2. 그런데, 이미 StringBuffer에는 특정 문자가 들어가 있어서 1번 스레드는 조건문을 만족하여 sb.append()를 호출하려고 하였으나, 그 순간 2번 스레드가 조건문 아래에 있는 sb.length() 메서드를 호출하였다.

3. 그러면 StringBuffer에는 콤마(,)가 들어가기도 전에 다른 문자가 들어가게 된다.

4. 2번 스레드의 작업을 마치면 1번 스레드가 sb.append() 메서드를 호출하여 콤마(,)를 StringBuffer에 집어넣게 된다.

 

위 시나리오는 해당 예제의 결과 값에서 ''E-Be=b'를 나타낸 것이다. 이 결과는 심지어 대문자와 소문자 쌍까지도 맞지 않는 심각한 동기화 문제를 야기한다.

 

따라서, 해당 addProperty( ) 메서드를 thread-safe 하게 사용하려면 아래 코드와 같이 synchronized 블록을 사용해야 한다.

 

public class Main {

    private static final StringBuffer sb = new StringBuffer();

    public static void main(String[] args) {
        String[] names = {"A", "B", "C", "D", "E", "F", "G", "H", "I", "J"};
        String[] values = {"a", "b", "c", "d", "e", "f", "g", "h", "i", "j"};

        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            final int j = i;
            Thread thread = new Thread(() -> addProperty(names[j], values[j]));
            thread.start();
        }
        new Thread(() -> System.out.println(sb.toString())).start();
    }

    public static void addProperty(String name, String value) {
        synchronized (sb) {
            if (value != null && value.length() > 0) {
                if (sb.length() > 0) {
                    sb.append(',');
                }
                sb.append(name).append('=').append(value);
            }
        }
    }
}

위와 같이 synchronized 블록을 사용하면 블록 내에 있는 연산에 대해 원자성을 보장해 줄 수 있으므로 thread-safe 하게 작업을 진행할 수 있다. 재미있는 점은 위 작업을 StringBuilder에 적용해도 그대로 올바른 동기화 처리가 되는 것을 알 수 있다. 결국 StringBuffer는 매우 구식의 동기화 작업임을 명심해야 한다.

정리하자면, StringBuffer는 단일 synchronized 메서드를 여러 스레드가 사용하는 것은 thread-safe 하지만, 단일 synchronized 메서드 여러 개로 구성된 일반 메서드에서 사용할 때는 thread-safe하지 않으므로 주의해서 사용해야 한다.

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출처

ㆍ https://velog.io/@dnjscksdn98/Java-String-vs-StringBuilder-vs-StringBuffer

ㆍ https://starkying.tistory.com/entry/what-is-java-string-pool

ㆍ https://cjh5414.github.io/why-StringBuffer-and-StringBuilder-are-better-than-String/

ㆍ https://steady-coding.tistory.com/569