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[번역] Java에서 String 클래스가 왜 final 혹은 Immutable인가?

5 Reasons of Why String is final or Immutable in Java

Java에서 String이 왜 final 혹은 Immutable인지에 대해서 적당한 사유를 정리해 준 사이트(Why String Class is made Immutable or Final in Java - 5 Reasons")가 있어 번역, 정리해 봅니다.

왜 String 클래스가 final이었는지의 진짜 이유는 James Gosling이 말했던 보안적인 부분을 제외하더라도, Java 언어 디자이너가 가장 잘 알고 있겠지만, 여기서는 내 자신이 왜 Java의 String이 Final이고 Immutable인지에 대한 몇가지 이유를 제시한다.

1) String Pool
Java 디자이너는 모든 종류의 Java 어플리케이션에서 가장 많이 사용되는 데이터 타입이 String이 될 것이라고 예측했었고, 그리고 그것이 처음부터 최적화가 필요한 이유라는 것을 알았다. 첫번째 아이디어는 String pool에 String 리터럴을 포함하는 것이었다. 목표는 String 객체를 공유해, 템프러리하게 생성된 String 객체를 줄여주는 것이었다. 공유를 하기 위해서는 String 클래스는 Immutable class이어야 한다. 서로 알 수 없는 두 영역에서 mutable 객체의 공유는 불가능하다. 예를 가정해보면, 두 참조 변수가 동일한 String 객체를 참조한다.
String s1 = "Java";
String s2 = "Java";
지금 s1을 "Java"에서 "C++"객체로 변경하면 참조 변수 s2="C++"이 된다. String을 immutable하게 하는 것으로, String 리터럴의 공유가 가능하게 된다. 즉, String pool의 주요한 아이디어는 String을 final 또는 immutable하게 해야만 Java에서 String pool을 구현할 수 있다.

2) Security
Java는 모든 서비스 레벨에서 보안 환경을 제공한다는 명확한 목표를 가지고 있어서, String이 특히 전반적인 보안에 중요하다. String은 다수의 Java 클래스에 매개 변수로 널리 사용되고 있으며, 예를 들어 네트워크 연결시, 호스트 및 포트가 String으로 되어 있고, Java에서 파일을 읽어들이기 위한 파일이나 디렉토리 경로도 String으로 되어있고 데이터베이스 연결에 필요한 URL 등이 문자열로 되어 있다. 만약 이 String이 immutable 하지 않다면, 사용자는 시스템의 특정 파일에 대한 액세스 권한을 얻은 후 PATH의 변경이 가능하게 되며, 이것은 심각한 보안 문제를 일으킨다. 마찬가지로 네트워크 시스템과 데이터베이스에 연결하는 동안 String이 mutable하게 되면 보안 위협상태에 놓이게 된다. 또한 mutable String을 인수로 취하는 리플렉션에서도 마찬가지로 보안 문제를 일으킨다.

3) Use of String in Class Loading Mechanism
String을 final이나 Immutable해야하는 다른 이유는 class loading mechanism에서 자주 사용되기 때문이라는 점도 있다. String이 Immutable하지 않다고 하면 공격자는 이점을 이용하게 되며, java.io.Reader 등 Java 표준 클래스의 로드 요청시에 악성 com.unknown.DataStolenReader 클래스로 변경하게 할 수 있다. String이 final이나 Immutable함으로써 적어도 JVM은 올바른 클래스들을 로드할 수 있게 된다.

4) Multithreading Benefits
Concurrency나 멀티 스레드는 Java의 핵심 기능이므로 String 객체의 스레드 안전성을 고려할 때 당연한 이유가 된다. String 널리 쓰이게 될 것으로 예측 되었기 때문에, Immutable함으로써 외부에서 동기화 필요를 없애고 여러 스레드 간에 String을 공유하는 부분에서 코드를 깨끗하게 정리해 준다. 이 기능은 복잡하고 오류가 발생하기 쉬운 concurrency 코드를 쉽고 간단하게 해준다. String은 concurrency하기 때문에 스레드간에 공유가 가능하고, 결과적으로 읽기 쉬운 코드가 된다.

5) Optimization and Performance
클래스를 Immutable한 경우의 장점은 클래스가 일단 생성되면 변경이 불가능하다는 점이다. 이점은 캐시 등의 많은 성능 최적화의 길을 열 수 있게 된다. String 자신이 변경되지 않는다는 것을 알고 있기 때문에 String 해시 코드를 캐시한다. 해시 코드의 계산은 지연(lazy)하여 수행되고 일단 생성되면 캐시된다. 간단한 경우는 String 객체의 hashCode() 메소드를 처음 호출시에 해시 코드가 계산되고, 그 이후의 hashCode는 계산된 캐시 값을 반환하는것을 사용한다. 따라서 String은 Hashtable과 HashMap 등 Map 기반으로 해시가 자주 사용하는 경우에는 성능이 향상된다. 해시 코드 캐시는 String이 자신의 내용에 의존하기 때문에 Immutable이나 final 없이는 불가능하다.

Pros and Cons of String being Immutable or Final in Java
위의 이점을 통해 Java에서 String을 final로 하면 또 다른 이점이 있다. String은 HashMap과 Hashtable 같은 해시 기반 컬렉션의 키로써 가장 많이 사용된다. Immutable은 HashMap 키의 필수로 요구하지는 않지만, Immutable이 mutable보다 오브젝트를 사용하는 편이 더 안전하다. 그 이유는 만약 mutable 오브젝트의 상태가 HashMap에서 변경되는 경우 equals()와 hashCode() 메소드 변경후의 특성에 의해 영향을 받아 다시 뒤로 되돌아가는 취소가 어렵다. 클래스가 Immutable한 경우 해시 기반 컬렉션내에 저장 될 때, 상태 변경의 위험은 없게 된다. 또 다른 중요한 장점은 이미 스레드 안전성에 대해 이미 언급했다. String은 Immutable하므로 외부에서 동기화를 고려하지 않고 스레드간에 안전하게 공유할 수 있다. 이는 동시 코드의 가독성이 높아 오류의 가능성을 줄일 수 있다.

하지만 많은 장점에도 불구하고 Immutable에는 단점 또한 가지고 있다. 예로, 비용이 소요된다. String은 Immutable하기 때문에 템프러리하게 사용할 객체를 많이 생성하게 되면 GC에 영향을 미친다. Java 디자이너도 그 점은 인식하고 풀에 String 리터럴을 저장해 String의 GC를 줄일 수 있는 대안으로 생각해 왔다. 그러나, String 풀에서 오브젝트를 가져올 수 없는 new String()이라는 생성자를 사용하지 않고 String을 생성하도록 주의해야 한다. 일반적인 Java 어플리케이션은 다수의 객체를 생성해 GC가 빈번하게 일어난다. 풀에 저장하는 String은 GC와 관련하여 숨겨진 위험이 있다. String 풀은 Java Heap의 PermGen이라는 공간에 배치되어 Java Heap에 비해 상당히 제한되는 영역이다. 다수의 String 리터럴은 이 공간을 즉시에 채워 버려, 결과적으로 Java.lang.OutOfMemoryError : PermGen Space를 야기시킨다. 다행히, Java 언어 프로그래머는 이 문제를 인식하고, Java 7 이상에서는 String pool은 일반적인 힙 공간으로 이동되었다. 이곳은 PermGen에 비해 매우 큰 공간이다. String을 final로 하면 또하나의 다른 단점으로는 확장성 제약이다. 일반적인 상황에서는 거의 필요하지 않다 해도, 기능 확장을 위해 String을 확장할 수 없으며, java.lang.String 클래스를 확장하고 싶은 사람들에게는 여전히 제약 사항 중에 하나이다.

위 5가지 이유는 확실히 "왜 Java의 String 클래스는 final이나 Immutable인가?(Why String class has been made Final and Immutable in Java)"에 대한 팁이다. 그리고 Integer, Long, Double, Float 등의 래퍼 클래스도 Immutable이고 Final이다.



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