Immutable(불변 객체란)

객체 지향 프로그래밍에 있어서 불변객체(immutable object)는 생성 후 그 상태를 바꿀 수 없는 객체를 말한다. 반대 개념으로는 가변(mutable) 객체로 생성 후에도 상태를 변경할 수 있다. 객체 전체가 불변인 것도 있고, C++에서 const 데이터 멤버를 사용하는 경우와 같이 일부 속성만 불변인 것도 있다. 또, 경우에 따라서는 내부에서 사용하는 속성이 변화해도 외부에서 그 객체의 상태가 변하지 않은 것 처럼 보인다면 불변 객체로 보기도 한다. 예를 들어, 비용이 큰 계산의 결과를 캐시하기 위해 메모이제이션(Memoization)을 이용하더라도 그 객체는 여전히 불변하다고 볼 수있다. 불변 객체의 초기 상태는 대개 생성 시에 결정되지만 객체가 실제로 사용되는 순간까지 늦추기도 한다.
불변 객체를 사용하면 복제나 비교를 위한 조작을 단순화 할 수 있고, 성능 개선에도 도움을 준다. 하지만 객체가 변경 가능한 데이터를 많이 가지고 있는 경우엔 불변이 오히려 부적절한 경우가 있다. 이 때문에 많은 프로그래밍 언어에서는 불변이나 가변 중 하나를 선택할 수 있도록 하고 있다.

위키피디아에 의하면 불변 객체는 생성 후 그 상태를 바꿀 수 없는 객체를 의미합니다.. 여기서 상태를 바꿀 수 없다는 것은 어떤 의미일까요? 이는 힙영역에서 그 객체가 가리키고 있는 데이터 자체의 변화가 불가능하다는 것을 의미합니다. 힙 영역이라는 말이 생소한 분들을 위해 간단하게 설명하자면 자바에서 Reference를 가지고 있는 타입은 실제 데이터는 힙 영역에 저장하고 그 힙 영역을 가리키는 주소 값을 Stack 영역에서 가지고 있는데, 아래의 코드를 보며 조금 더 설명하겠습니다.

경축! 아무것도 안하여 에스천사게임즈가 새로운 모습으로 재오픈 하였습니다.
어린이용이며, 설치가 필요없는 브라우저 게임입니다.
https://s1004games.com

    public class JavaApplication {
        public static void main(String[] args){
            String example = new String("Hello World");
            String example2 = new String("Hello World");
            System.out.println("두 변수가 가지고 있는 주소 값이 같니?");
            System.out.println(example == example2);
            System.out.println(example);
        }
    }
    
    //두 변수가 가지고 있는 주소 값이 같니?
    //false
    //Hello World

• 위의 코드에서 example이라는 데이터는 Hello World 라는 문자 자체의 데이터를 담고 있는 것 같지만 Hello World 라는 데이터를 가지고 있는 힙 영역의 주소를 가지고 있다. (같은 데이터를 가지고 있지만 다른 주소 값을 가지고 있기 때문에 false 가 반환된 것이다.)
• 불변 객체는 힙 영역에 있는 Hello World 라는 것의 데이터 자체의 불변을 보장하는 것을 불변 객체라고 하는 것이다. 이를 조금 길게 이야기하는 이유는 변수의 선언과 Final 그리고 불변 객체 부분을 한 번에 정리하면서 은근히 헷갈리게 하는 요소들이 많았기 때문이다.
• 요약하자면 불변 객체는 가리키고 있는 주솟값 혹은 불변 객체를 통해 얻을 수 있는 값들의 힙 영역에 있는 데이터 그 자체 가 변경되지 않는 것을 의미한다. 이 부분에 대해 이해가 되지 않는다면 불변 객체를 검색하면 String 과 Stringbuilder를 사용하여 불변 객체를 설명하고 있는 블로그들이 많이 존재한다. 이를 참고하면 좋을 것 같다.

원시 타입에서의 불변

• 원시 타입은 참조 값이 존재하지 않기 때문에 값을 그대로 외부로 내보내는 경우에도 내부 객체는 불변이다. 하지만 이는 객체 지향적인 관점에서 봤을 때 바람직하지 않고 내부의 값에 대해 변경이 필요할 때는 메시지를 통해서 하는 것이 바람직할 것이다. 외부에서 원시 타입에 대해서 변경을 불가능하게 막는 방법은 단순히
• Setter를 생성하지 않는 것
• 아래의 코드에서 age는 생성자를 통해서만 설정될 수 있으며 Setter를 지원하지 않기 때문에 외부에서 내부의 값을 변경하거나 제어할 수 없다. 외부에서 특정한 메시지를 보내고 싶은 경우 값을 반환하는 것이 아니라 메시지를 처리하는 메소드를 작성함으로써 불변의 형태를 완성 할 수 있다.

    public class Person {
    	private final String name;
    	private int age;
    
    	public Person(String name, int age) {
    		this.name = name;
    		this.age = age;
    	}
    }

참조 타입에서의 불변

• 원시 타입이 아닌 참조 타입에서 불변은 조금 더 까다로운 형태로 불변 객체를 만들어야 합니다. 아래의 예들을 보며 구체적으로 부연 설명 하겠습니다.

    import java.util.List;
    
    public class Cars {
    	private final List<Car> cars;
    
    	public Cars(List<Car> cars) {
    		this.cars = cars;
    	}
    }
    
    public class Car {
    	private final String name;
    
    	public Car(String name) {
    		this.name = name;
    	}
    }

• 위의 예제에서 Cars 는 이름을 가지고 있는 자동차를 List 의 형태로 가지고 있습니다. 이 경우 Cars는 Setter와 Getter가 존재하지 않기 때문에 외부에서 값을 제어할 수 없다고 생각하기 쉽습니다. 하지만 Cars는 불변 객체가 아닙니다. 아래의 예를 통해 확인해 보겠습니다.

    public static void main(String[] args) {
    		List<Car> carNames = new ArrayList<>();
    		carNames.add(new Car("hodol"));
    		Cars cars = new Cars(carNames);  // hodol만 들어간 리스트를 통해 생성
    
    		for(Car car : cars.getCars()) {
    			System.out.println(car.toString()); // 결과 : 호돌
    		}
    		System.out.println(cars);  // 주소 kail.study.java.study.immutable.Cars@4b1210ee
    
    		carNames.add(new Car("pobi")); //다른 값을 추가로 넣어줌.
    		System.out.println(cars) // 주소 kail.study.java.study.immutable.Cars@4b1210ee
    
    		for(Car car : cars.getCars()) {
    			System.out.println(car.toString()); //결과 : 호돌 포비
    		}

• Cars가 생성될 때 인자로 넘어온 리스트를 외부에서 변경하면 Cars가 참조하고 있는 내부 인스턴스 또한 변한다는 것을 확인 할 수 있습니다. 위의 예에서 Cars의 인스턴스 변수인 private final List cars 가 불변이길 원하지만 다른 값을 넣더라도 같은 주소 값을 가지면서 pobi 라는 값을 추가적으로 갖게 되었습니다.
• 다시 한번 불변객체에 대해 정의하자면 불변 객체란 외부에서 불변 객체의 값을 수정할 수 없는 객체를 의미합니다. 위의 예에서는 외부(Main method)에서 Cars가 가지고 있는 cars라는 인스턴스 변수의 요소를 변경할 수 있었기 때문에 불변객체라고 할 수 없는 것입니다. 그렇다면 위의 예제에서 Cars를 어떻게 불변 객체로 만들 수 있을까요?

    public class Cars {
    	private final List<Car> cars;
    
    	public Cars(List<Car> cars) {
    		this.cars = new ArrayList<>(cars);
    	}
    
    	public List<Car> getCars() {
    		return cars;
    	}
    
    // 위와 같은 Main method 실행 결과
    
    //[kail.study.java.study.immutable.Car@4b1210ee]  -- 서로 다른 주소값
    //hodol 
    //kail.study.java.study.immutable.Cars@4d7e1886
    //hodol -- pobi가 추가되지 않음.

• 생성자를 통해 값을 전달받을 때 new ArrayList<>(cars) 를 통해 새로운 값을 참조하도록 복사하였습니다. 이렇게 되면 외부에서 넘겨주는 List와 내부적으로 사용하는 인스턴스 변수가 참조하는 값이 다르기 때문에 외부에서 제어가 불가능합니다. 그럼 이젠 완벽한 불변 객체라고 할 수 있을까요? 추가로 변경해야 하는 부분이 있습니다. 일반적으로 Dto를 만들거나 혹은 View에서 사용하기 위해 Getter는 자주 사용이 됩니다. 그렇다면 Getter를 통해 위의 값을 제어하면 어떻게 될까요? 아래의 예제에서 확인하겠습니다.

    public static void main(String[] args) {
    		List<Car> carNames = new ArrayList<>();
    		carNames.add(new Car("hodol"));
    		Cars cars = new Cars(carNames);
    
    		for(Car car : cars.getCars()) {
    			System.out.println(car.getName());
    		}
    		
    		cars.getCars().add(new Car("pobi"));
    		
    		for(Car car : cars.getCars()) {
    			System.out.println(car.getName());
    		}
    	}
    
    // 실행 결과
    // hodol
    
    // hodol
    // pobi

• 실행 결과 Cars의 인스턴스 변수가 가리키고 있는 실제 데이터에 pobi가 추가된 것을 볼 수 있습니다. 이를 방지하기 위해선 Collections 가 제공해주는 api를 활용하여 이런 부작용을 방지 할 수 있습니다.

    public class Cars {
    	private final List<Car> cars;
    
    	public Cars(List<Car> cars) {
    		this.cars = new ArrayList<>(cars);
    	}
    
    	public List<Car> getCars() {
    		return Collections.unmodifiableList(cars);
    	}
    }

• 이제는 정말 외부에서 자동차들의 리스트를 담고 있는 변수 cars에 대해서 어떠한 제어도 할 수 없는 상태가 되었습니다. 외부에서 값을 재할당하여 사용할 순 있지만, Cars의 인스턴스 변수가 가리키고 있는 값에 대해서는 불변이라고 말할 수 있기 때문에 완벽한 불변 객체라고 할 수 있습니다. 말이 조금 헷갈리시죠? 외부에서 값을 재할당해서 사용할 수 있다고? 라고 제가 생각했었습니다. 다들 아시는 부분이겠지만 조금 TMI를 해보자면

    public static void main(String[] args) {
    		List<Car> carNames = new ArrayList<>();
    		carNames.add(new Car("hodol"));
    		Cars cars = new Cars(carNames);
    
    		List<Car> anotherCars = new ArrayList<>(cars.getCars());
    		List<Car> cars1 = cars.getCars();  
    
    		anotherCars.add(new Car("pobi"));
    		cars1.add(new Car("pobi"));	} // 실행에서 에러 발생

• 위와 같은 작업이 가능하다는 것을 의미합니다. 인스턴스 변수인 cars의 값은 불변이 보장되지만, 외부에서 그 값을 새롭게 선언하여 사용하는 경우는 문제가 없습니다. 서로 다른 주솟값을 가리키고 있기 때문입니다. 따라서 위의 코드에서 anotherCars.add는 아무 문제 없이 실행되지만 cars1은 인스턴스 변수가 가리키고 있는 값이 같고 Collections.unmodifiedList 로 반환하기 때문에 런타임 에러를 발생시킵니다.

추가적인 정보

• 위의 예제를 통해 불변 객체란 객체가 참조하고 있는 값이 외부에 의해 변형되지 않는 객체를 의미한다는 것을 학습하였습니다.
• 추가적으로 객체가 다른 객체를 참조하는 경우는 어떻게 될까요? 이 경우도 위의 예제와 마찬가지로 참조하고 있는 객체에 대해서도 불변이 성립해야 불변이 성립됩니다.
• Final 키워드는 참조 타입에서 변수의 재할당만을 금지하는 키워드입니다. 하지만 변수 선언 앞부분에 Final을 사용하는 것은 뒤에서 할당하는 부분이 불변 객체다 라고 인식하는 경우도 많기 때문에 사내의 규정에 맞게 사용하시는 것이 좋을 듯합니다.

요약

• 불변 객체에 대한 정의에는 차이가 있을 수 있으나, 불변 객체는 기본적으로 참조하고 있는 데이터를 변경할 수 없는 객체를 의미합니다. 불변 객체를 사용하였을 때 장점은 아래와 같습니다.
  - 외부에서 임의로 내부의 값을 제어할 수 없기 때문에
  - 객체의 자율성이 보장되고
  - 프로그램 내에서 변하지 않는 즉 고정된 부분이 많아짐으로써 프로그램 안정도를 높일 수 있습니다.
• 모든 객체를 불변으로 만들 필요는 없지만 변하지 않기를 바라는 객체를 불변객체로 만드는 데에 이 포스팅이 도움이 되셨기를 바랍니다.