Minimize Mutability

2024. 3. 7.

hyoguoo

Backend Engineer

변경 가능성을 최소화하라

불변 인스턴스로 생성된 정보는 객체가 소멸하는 순간까지 절대 달라지지 않는다.
이 특징은 가변 클래스보다 설계하고 구현하기 쉽고, 오류가 생길 여지도 적고, 훨씬 안전하게 해준다.

불변 클래스 생성의 5가지 규칙

간단히 말하면 위에 설명한 것과 같이 생성된 시점부터 소멸될 때까지 절대 달라지지 않도록 하면 된다.

객체의 상태를 변경하는 메서드(변경자) 제공 X
클래스 확장 금지
- 가장 쉬운 방법은 클래스를 final로 선언하여 하위 클래스 생성을 막는 것이 존재
- 모든 생성자를 private 혹은 package-private으로 선언한 뒤, public 정적 팩터리 메서드를 제공하는 방법도 존재(더 유연한 방법)
모든 필드 final 선언
모든 필드 private 선언
자신 외 내부의 가변 컴포넌트에 대한 접근 제공 X
- 클라이언트가 제공한 객체 참조 반환 X
- 접근자 메서드가 가변 객체 참조 직접 반환 X
- 생성자 / 접근자 / readObject 메서드에서 가변 객체 참조를 방어적으로 복사를 수행해야 함

위의 규칙을 지킨 예시 코드는 다음과 같다.

public final class Complex { // 2. final 선언하여 하위 클래스 생성 금지

    // 3, 4. 모든 필드 final / private 선언
    private final double re;
    private final double im;

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

    // 1. 객체의 상태를 변경하는 메서드(변경자) 제공 X
    public double realPart() {
        return re;
    }

    public double imaginaryPart() {
        return im;
    }

    public Complex plus(Complex c) {
        return new Complex(re + c.re, im + c.im); // 5. 새로운 인스턴스를 생성하여 원래 인스턴스의 값을 변경하지 않음, 아래 메서드들도 동일
    }

    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);
    }

    // equals / hashCode / toString ...
}

여기서 사칙 연산 메서드(plus, minus, times, dividedBy)는 모두 새로운 인스턴스를 생성하여 원래 인스턴스의 값을 변경하지 않고, 새로운 인스턴스를 반환한다.
때문에 메서드 이름도 add같은 동사가 아닌 plus같은 전치사를 사용한 것도 알 수 있다.(BigInteger, BigDecimal 클래스는 해당 명명 규칙을 지키지 않아 혼란을 주고 있다.)

불변 클래스의 장점

스레드 안전과 인스턴스 캐싱

근본적으로 변하지 않아 스레드 안전하기 때문에 따로 동기화할 필요가 없어 여러 스레드가 동시에 사용해도 안전하다.
불변 객체로 만들어 놓는 것이 스레드 안전성을 얻을 수 있는 가장 쉬운 방법이기도 하다.

불변객체는 다른 스레드에 영향을 주지 않기 때문에 이러한 장점을 살려 한 번 만든 인스턴스를 중복 생성하지 않고 재활용하는 것이 가능하다.
아래 두 가지 방법으로 제공해줄 수 있는데, 2번을 사용하게 되면 클라이언트를 수정하지 않고 필요에 따라 불변 객체를 캐싱하여 재활용할 수 있는 장점이 생긴다.

// 1. public static final 필드로 불변 객체 생성
public final class Complex {
    public static final Complex ZERO = new Complex(0, 0);
    public static final Complex ONE = new Complex(1, 0);
    public static final Complex I = new Complex(0, 1);
    // ...
}

// 2. 정적 팩터리 메서드로 불변 객체 생성
public final class Integer extends Number implements Comparable<Integer> {
    // ...

    @HotSpotIntrinsicCandidate
    public static Integer valueOf(int i) {
        if (i >= IntegerCache.low && i <= IntegerCache.high)
            return IntegerCache.cache[i + (-IntegerCache.low)];
        return new Integer(i);
    }
    // ...
}

내부 데이터 공유

불변 객체끼리는 내부 데이터를 공유하여 복사하지 않고 사용할 수 있다.

public class BigInteger extends Number implements Comparable<BigInteger> {

    final int signum; // 부호
    final int[] mag; // 절댓값, 배열이기 때문에 가변

    // ...

    public BigInteger negate() {
        return new BigInteger(this.mag, -this.signum); // 복사하지 않고 그대로 사용하여, 새로 생성된 인스턴스와 내부 배열을 공유
    }
}

불변 객체이기 때문에 가변 객체인 내부 배열이 변경되지 않는다는 것을 보장할 수 있기 때문에 가능한 방법이다.

실패 원자성 제공

내부 상태를 바꾸지 않기 때문에 메서드에서 예외가 발생한 후에도 그 객체는 여전히 유효한 상태여야 한다(실패 원자성)는 규칙을 자연스럽게 따르게 된다.

불변 클래스의 단점

장점이자 단점인 부분으로, 값을 아주 조금 변경하기 위해서도 새로운 객체를 생성해야 한다는 점이다.
이 문제를 대처하기 위해, 가변 동반 클래스를 만들어 불변 클래스의 단점이 존재하나 연산마다 객체를 생성하지 않는 가변 동반 클래스로 해결할 수 있다.

클라이언트가 사용할 연산을 예측 가능한 경우: package-private에 가변 동반 클래스를 두어 연산을 수행(BigInteger)
클라이언트가 사용할 연산을 예측할 수 없는 경우: StringBuilder와 같은 별도의 가변 동반 클래스를 제공

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