자바 final 키워드 (feat. String 클래스)

final  키워드는 불변성을 뜻한다.

이 final 키워드는 어떤 곳에 사용되냐에 불변의 특징 중 조금씩 살짝 다른 의미를 가진다. final 키워드는 변수(variable), 메소드(method), 또는 클래스(class)에 사용될 수 있다.  

 

📍final Class

final 키워드를 클래스에 붙이면 상속 불가능 클래스가 된다. 즉, 다른 클래스에서 상속하여 재정의를 할 수 없는 것이다.

이는 클래스를 불변으로 만들어서 상속에 의한 변경을 방지한다. 대표적인 클래스로 Integer와 같은 랩퍼(Wrapper) 클래스, String 클래스가 있다. 클래스 설계시 재정의 여부를 생각해서 재정의 불가능하게 사용하고 싶다면 final로 등록하는게 추후 유지보수차원에서 좋다.

 

📍final Method

메서드에 final을 붙이면 재정의(override)를 제한하게 된다. 클래스를 상속하게 되면 우리는 해당 클래스의 protected, public의 접근 제어자(access-modifier)를 가진 메서드를 재정의(override) 통해 재구현을 할 수 있다. 즉 변경이 가능하는 것이다.

하지만 final 키워드를 붙여 메소드를 정의한다면 서브 클래스에서 재정의를 제한하게 돼 불변성을 지키게 된다.

 

📍final Variable

변수에 final을 붙이면 이 변수는 수정할 수 없다는 뜻이 된다. 수정될 수 없기 때문에 초기화 값은 필수적이다.

수정 할 수 없다는 범위는 그 변수의 값에 한정된다. 즉, 다른 객체를 참조하거나 할 때 참조하는 객체의 내부의 값은 변경할 수 있다라는 의미이다.

아래 예시에서 pizza 변수를 새로운 Pizza 객체로 할당하는 것은 불변성을 어기므로  컴파일 에러가 생기지만, Pizza 객체 안의 필드들을 변경하는 것은 가능하다.

class Solution19 {
    public static void main(String[] args) {
        final Pizza pizza = new Pizza(12000, "불고기 피자");

        //pizza = new Pizza(20000, "하와이언 피자"); 컴파일 에러 - 값이 직접 변함

        pizza.setPrice(1000);  //참조하는 객체의 내부의 값은 변경할 수 있다
        pizza.setName("하와이언 피자");
    }
}
class Pizza {
    int price;
    String name;

    //생성자와 setter 생략
}

 

final 지역 변수

final 키워드가 붙은 변수는 초기화를 해줘야하는데, 여러가지 방법이 있다.

1. 선언시 초기화 
2. 사용 전에 초기화

 

final 인스턴스 변수

1. 선언시 초기화

2. 생성자를 이용한 초기화

3. 초기화 block을 이용한 초기화

 

앞선 String 클래스에서도 final 필드를 갖는데, 모두 생성자에서 초기화 시켜주고 있다.

 

 

🔠 String 클래스

String 클래스는 앞서 말했다시피 불변 클래스이다. 자바에서 문자열(String)은 불변(immutable) 객체이다. 이는 한 번 생성된 문자열 객체의 내용은 변경할 수 없다는 것을 의미한다. 문자열을 변경하는 작업(예: 문자열 연결)은 항상 새로운 문자열 객체를 생성하게 된다. 이래서 문자열 수정은 조심해야 한다.

예를 들어 다음과 같은 상황이 있다.

public static void main(String[] args) {
    String str = "string";
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        str = str + i;
    }
}

 

문자열 변경 과정

1. 초기 상태
   • str은 "string"을 참조한다.
2. 첫 번째 반복 (i = 0)
   • str + i는 새로운 문자열 "string0"을 생성한다.
   • str은 이제 "string0"을 참조한다.
3. 두 번째 반복 (i = 1)
   • str + i는 새로운 문자열 "string01"을 생성한다.
   • str은 이제 "string01"을 참조한다.

이 과정은 루프가 끝날 때까지 계속된다.

 

메모리 할당 영역

1. 힙 영역 (Heap)
   • 반복문에서 생성되는 모든 문자열 객체는 힙 영역에 할당된다. 새로운 문자열 객체가 생성될 때마다 힙 메모리를 사용하게 된다.
   • 예를 들어, "string0", "string01" 등 모든 문자열 객체는 힙에 저장된다.
2. 스택 영역 (Stack)
   • 로컬 변수 str는 스택에 할당된다.
   • str은 스택에 저장된 참조 변수로, 힙에 있는 실제 문자열 객체를 참조한다.
3. 메소드 영역 (Method Area)
   • 메소드 영역은 클래스 구조(메타데이터), 정적 필드, 정적 메서드를 포함한다. str과 같은 문자열 리터럴은 상수 풀에 저장될 수 있다.
   • 문자열 리터럴 "string"은 상수 풀(constant pool)에 저장되지만, 루프 내에서 생성된 새로운 문자열은 힙 영역에 저장 된다.

즉, 처음 "string" 리터럴은 상수 풀에 저장 된다. 그리고 반복문이 시작되고 나서 각 반복마다 새로운 문자열 객체("string0", "string01", ..., "string0123456789")가 힙에 생성 된다.

str 변수는 스택에 저장되어 각 반복마다 힙의 새로운 문자열 객체를 참조한다.

 

이유 - 내부적 동작 원리

위 코드에서 str = str + i는 각 반복마다 새로운 String 객체를 생성한다. 이는 각 연결 결과가 새로운 문자열 객체를 생성하기 때문이다.

자바에서 문자열 연결 연산자(+)는 내부적으로 StringBuilder를 사용하여 문자열을 연결한 후, 최종 결과를 String 객체로 변환한다. 결국  이 객체들은 모두 힙 메모리에 할당된다. 

위 코드는 내부적으로 아래와 같이 돌아간다.

String str = "string";
for (int i = 0; i < 10; i++) {
    StringBuilder sb = new StringBuilder(str);
    sb.append(i);
    str = sb.toString();
}

 

• StringBuilder 사용:
  • 문자열 연결 시 StringBuilder 객체가 생성되고, 각 부분 문자열이 StringBuilder에 추가된다.
• toString() 호출:
  • 최종 연결된 문자열은 StringBuilder의 toString() 메소드를 호출하여 String 객체로 변환된다. 이 변환된 String 객체는 힙 메모리에 할당된다.

 

 

위와 같은 이유로 새로운 객체가 힙영역에 계속 생기게 되는 것이다. 문자열을 다루는 코딩테스트 문제에서 메모리 초과 문제가 나타나는 이유도 이러한 이유 때문이다. 따라서 문자열을 다룰 때는 재선언 하는 것이 아닌, StringBuilder 클래스를 이용하여 다루는 것이 메모리를 아끼고 성능면에서도 좋다.

	StringBuilder str = new StringBuilder("string");
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            str.append(i);
        }