String 클래스 파고들기 - 객체의 특성 및 더하기 연산의 버전별 차이

String Constant Pool(String Pool)

String 객체는 불변객체라고 합니다. 한 번 객체가 생성되면 값이 바뀌지 않는 것이죠.

그렇다면 아래 코드의 결과는 어떻게 될까요?

public class StringExample {
    public static void main(String[] args) {
        String str1 = "abc";
        String str2 = "abc";
        String str3 = new String("abc");

        System.out.println(str1 == str2);
        System.out.println(str1 == str3);
        System.out.println(str1.equals(str3));
    }
}

결과

첫번째 String과 두번째 String이 다르다고 나와야 할 것 같은데 같다고 나왔습니다.

 

문자열 리터럴(여기서는 "abc")로 객체를 생성하면, 이 객체는 JVM 내부의 Heap영역에 있는 String Constant Pool에 저장됩니다.

코드 첫번째 줄 str1 에서 객체를 저장했으므로, 두번째줄인 str2 에서는 이 String Constant Pool에서 객체의 참조를 할당합니다.

그래서 == 연산을 했을 때 true가 나오게 됩니다.

 

str3에서 new String("abc") 로 객체를 생성하면, Heap영역에 String Constant Pool이 아닌 새로운 String 객체로 생성됩니다.

 

혹시 이 객체를 String Constant Pool에 넣는 방법이 있을까요?

String 클래스에서 제공하는 intern()라는 native 메소드를 통해서 넣을 수 있습니다.

동일한 문자열이 String Constant Pool에 없다면 해당값을 추가하고, 만약 있다면 참조값을 리턴합니다.

하지만 이 메소드는 절대 사용하면 안됩니다.

intern() 메소드를 수행한 뒤에 문자열은 equals() 메소드가 아닌, == 으로 동일한지 비교할 수 있다.
그렇지만 새로운 문자열을 쉴새 없이 만드는 프로그램에서 intern() 메소드를 사용하여 억지로 Constant pool에 값을 할당하도록 만들면, 저장되는 영역은 한계가 있기 때문에 그 영역에 대해 별도로 메모리를 청소하는 단계를 거친다.
따라서, 작은 연산 하나를 빠르게 하기 위해서 전체 자바 시스템의 성능에 악영향을 주게 된다.

출처 - 자바의 신2 중

 

자바에서는 String의 불변적인 특성을 살려 상수로 저장하여 성능 및 메모리 최적화를 하고 있습니다.

그러므로 String 생성시에는 new String은 지양하는 것이 좋습니다.

 

문자열 더하기

1. JDK 5 이전

JDK 5 이전에서는 String에 더하기 연산을 하면 새로운 String 객체를 만들어서 합쳐졌습니다.

N번 더하는 과정을 거친다면 N개의 String 객체가 생성되므로 이전 객체는 참조값이 사라져 메모리 낭비가 심해집니다.

 

2. JDK 5~8

JDK 5 ~8 버전에서는 String더하기 연산을 하면 컴파일 시 StringBuilder 혹은 StringBuffer 를 통한 연산으로 변경되었습니다.

출처 - https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/java/lang/String.html

둘의 차이점은 StringBuilder(StringBuffer)는 객체를 따로 생성하는 것이 아니라, 배열로 초기 공간을 할당하여 값을 추가해줍니다.

아무런 값을 주지 않을 경우 16 character 로 할당하여, 추가하는 String크기만큼 동적으로 큰 배열을 만들어 복사합니다.

StringBuilder의 더하기 메소드인 append()를 타고 들어가면, 그 안에서 AbstractStringBuilder의 append() 메소드를 사용합니다.

다시 이 메소드 내부를 들어가보면 ensureCapacityInternal() 메소드를 사용하여 배열 크기를 바꾸는 것을 볼 수 있습니다.

 

코드

String concat(String s, int i) {
    return s + i;
}

 

컴파일(바이트코드)

위 코드의 class 파일을 javap -c로 읽어보면

java.lang.String concat(java.lang.String, int);
  Code:
     0: new           #2      // class StringBuilder
     3: dup
     4: invokespecial #3      // Method StringBuilder."<init>":()V
     7: aload_0
     8: invokevirtual #4      // Method StringBuilder.append:(LString;)LStringBuilder;
    11: iload_1
    12: invokevirtual #5      // Method StringBuilder.append:(I)LStringBuilder;
    15: invokevirtual #6      // Method StringBuilder.toString:()LString;

 

주석에서처럼 StringBuilder를 사용하지 않았음에도 바이트코드를 StringBuilder로 변경하여 연결하는 것을 확인할 수 있습니다.

3. JDK 9 이상

JDK 9 이상에서는 invokedynamic 지시어와 StringConcatFactory를 통해 컴파일 타임에 문자열 연결 방법을 정의하고, 런타임에 구현을 연결해 동작합니다.

 

코드

String concat(String s, int i) {
    String str = "abc";

    String s = str + 123;
}

컴파일(바이트코드)

java.lang.String concat(java.lang.String, int);
  Code:
     0: aload_1
     1: iload_2
     2: invokedynamic #2,  0  // InvokeDynamic #0:makeConcatWithConstants:(Ljava/lang/String;I)Ljava/lang/String;
     7: a

 

이전 버전에서의 바이트코드와 달리 InvokeDynamic을 사용하고 있습니다.

 

런타임로직

BootstrapMethods:
  0: #22 REF_invokeStatic java/lang/invoke/StringConcatFactory.makeConcatWithConstants:(Ljava/lang/invoke/MethodHandles$Lookup;Ljava/lang/String;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/String;[Ljava/lang/Object;)Ljava/lang/invoke/CallSite;
    Method arguments:
      #23 \u0001\u0001

javap -c -v 명령어를 이용해 런타임 로직을 들여다보면 위와 같이 StringConcatFactory의 makeConcatWithConstants 메소드를 연결하여 사용한 것을 확인할 수 있습니다.