Chapter 11 컬렉션 프레임웍

Jun-hee Cho·2023년 4월 2일

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1. 컬렉션 프레임웍(Collection Framework)

컬렉션 프레임웍이란, '데이터 군을 저장하는 클래스들을 표준화한 설계'를 뜻한다. 컬렉션(Collection)은 다수의 데이터, 즉 데이터 그룹을 의미하고, 프레임웍은 표준화된 프로그래밍 방식을 의미한다.

JDk1.2 이전까지는 Vector, Hashtable, Properties와 같은 컬렉션 클래스, 다수의 데이터를 저장할 수 있는 클래스들을 서로 다른 각자의 방식으로 처리해야 했으나 JDK1.2부터 컬렉션 프레임웍이 등장하면서 다양한 종류의 컬렉션 클래스가 추가되고 모든 컬렉션 클래스를 표준화된 방식으로 다룰 수 있도록 체계화되었다.

컬렉션 프레임웍은 컬렉션, 다수의 데이터를 다루는 데 필요한 다양하고 풍부한 클래스들을 제공하기 때문에 프로그래머의 짐을 상당히 덜어 주고 있으며, 또한 인터페이스와 다형성을 이용한 객체지향적 설계를 통해 표준화되어 있기 때문에 사용법을 익히기에도 편리하고 재사용성이 높은 코드를 작성할 수 있다는 장점이 있다.

1.1 컬렉션 프레임웍의 핵심 인터페이스

컬렉션 프레임웍에서는 컬렉션 데이터 그룹을 크게 3가지 타입이 존재한다고 인식하고 각 컬렉션을 다루는데 필요한 기능을 가진 3개의 인터페이스를 정의하였다. 그리고 인터페이스 List와 Set의 공통된 부분을 다시 뽑아서 새로운 인터페이스인 Collection을 추가로 정의하였다.

인터페이스 List와 Set을 구현한 컬렉션 클래스들은 서로 많은 공통부분이 있어서, 공통된 부분을 다시 뽑아 Collection인터페이스를 정의할 수 있었지만 Map인터페이스는 이들과는 전혀 다른 형태로 컬렉션을 다루기 때문에 같은 상속계층도에 포함되지 못했다.

이러한 설계는 객체지향언어의 장점을 극명히 보여주는 것으로 객체지향개념을 학습하는 사람들에게 많은 것을 느끼게 한다.

컬렉션 프레임 웍의 모든 컬렉션 클래스들은 List, Set, Map 중의 하나를 구현하고 있으며, 구현한 인터페이스의 이름이 클래스의 이름에 포함되어있어서 이름만으로도 클래스의 특징을 쉽게 알 수 있도록 되어있다.

그러나 Vector, Stack, Hashtable, Properties와 같은 클래스들은 컬렉션 프레임웍이 만들어지기 이전부터 존재하던 것이기 때문에 컬렉션 프레임웍의 명명법을 따르지 않는다.

Vector나 Hashtable과 같은 기존의 컬렉션 클래스들은 호환을 위해, 설계를 변경해서 남겨두었지만 가능하면 사용하지 않는 것이 좋다. 그 대신 새로 추가된 ArrayList와 HashMap을 사용하자.

Collection인터페이스

Collection인터페이스는 컬렉션 클래스에 저장된 데이터를 읽고, 추가하고 삭제하는 등 컬렉션을 다루는데 가장 기본적인 메서드들을 정의하고 있다.
위의 표에서 반환 타입이 boolean인 메서드들은 작업을 성공하거나 사실이면 true를, 그렇지 않으면 false를 반환한다. 'boolean isEmpty()'를 사용해서 컬렉션에 포함된 객체가 없으면, 즉 컬렉션이 비어있으면 true를, 그렇지 않으면 false를 반환한다.

List인터페이스
List인터페이스는 중복을 허용하면서 저장순서가 유지되는 컬렉션을 구현하는데 사용된다.

Set인터페이스
Set인터페이스는 중복을 허용하지 않고 저장순서가 유지되지 않는 컬렉션 클래스를 구현하는데 사용된다. Set인터페이스를 구현한 클래스로는 HashSet, TreeSet 등이 있다.

Map인터페이스
Map인터페이스는 키(key)와 값(value)을 하나의 쌍으로 묶어서 저장하는 컬렉션 클래스를 구현하는 데 사용된다. 키는 중복될 수 없지만 값은 중복을 허용한다. 기존에 저장된 데이터와 중복된 키와 값을 저장하면 기존의 값은 없어지고 마지막에 저장된 값이 남게된다. Map인터페이스를 구현한 클래스로는 Hashtable, HashMap, LinkedHashMap, SortedMap, TreeMap 등이 있다.

values()에서 반환타입이 Collection이고, keySet()에서는 반환타입이 Set인 것에 주목하자. Map인터페이스에서 값(value)은 중복을 허용하기 때문에 Collection타입으로 반환하고, 키(key)는 중복을 허용하지 않기 때문에 Set타입으로 반환한다.

Map.Entry인터페이스
Map.Entry인터페이스는 Map인터페이스의 내부 인터페이스이다. 내부 클래스와 같이 인터페이스도 인터페이스 안에 인터페이스를 정의하는 내부 인터페이스(inner interface)를 정의하는 것이 가능하다.

Map에 저장되는 key-value쌍을 다루기 위해 내부적으로 Entry인터페이스를 정의해 놓았다. 이것은 보다 객체지향적으로 설계하도록 유도하기 위한 것으로 Map인터페이스를 구현하는 클래스에서는 Map.Entry인터페이스도 함께 구현해야한다.

1.2 ArrayList

ArrayList는 컬렉션 프레임웍에서 가장 많이 사용되는 컬렉션 클래스일 것이다. 이 ArrayList는 List인터페이스를 구현하기 때문에 데이터의 저장순서가 유지되고 중복을 허용한다는 특징을 갖는다.

ArrayList는 기존의 Vector를 개선한 것으로 Vector와 구현원리와 기능적인 측면에서 동일하다고 할 수 있다. Vector는 기존에 작성된 소스와의 호환성을 위해서 계속 남겨 두고 있을 뿐이기 때문에 가능하면 Vector보다는 ArrayList를 사용하자.

ArrayList는 Object배열을 이용해서 데이터를 순차적으로 저장한다. 예를 들면, 첫 번째로 저장한 객체는 Object배열의 0번째 위치에 저장되고 그 다음에 저장하는 객체는 1번째 위치에 저장된다. 이런 식으로 계속 배열에 순서대로 저장되며, 배열에 더 이상 저장할 공간이 없으면 보다 큰 새로운 배열을 생성해서 기존의 배열에 저장된 내용을 새로운 배열로 복사한 다음에 저장된다.

public class ArrayList extends AbstractList
	implements List, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
{
	...
  transient Object[] elementData; // Object배열
  	...
}

위의 코드는 ArrayList의 소스코드 일부인데 ArrayList는 elementData라는 이름의 Object배열을 멤버변수로 선언하고 있다는 것을 알 수 있다. 선언된 배열의 타입이 모든 객체의 최고조상인 Object이기 때문에 모든 종류의 객체를 담을 수 있다.

1.3 LinkedList

배열은 가장 기본적인 형태의 자료구조로 구조가 간단하며 사용하기 쉽고 데이터를 읽어오는데 걸리는 시간(접근시간, access time)이 가장 빠르다는 장점을 가지고 있지만 다음과 같은 단점도 가지고 있다.

1. 크기를 변경할 수 없다.
-크기를 변경할 수 없으므로 새로운 배열을 생성해서 데이터를 복사하는 작업이 필요 하다.
-실행속도를 향상시키기 위해서는 충분히 큰 크기의 배열을 생성해야 하므로 메모리가 낭비된다.

2. 비순차적인 데이터의 추가 또는 삭제에 시간이 많이 걸린다.
-차례대로 데이터를 추가하고 마지막에서부터 데이터를 삭제하는 것은 빠르지만,
-배열의 중간에 데이터를 추가하려면, 빈자리를 만들기 위해 다른 데이터들을 복사해서 이동해야 한다.

이러한 배열의 단점을 보완하기 위해서 링크드 리스트(linked list)라는 자료구조가 고안되었다. 배열은 모든 데이터가 연속적으로 존재하지만 링크드 리스트는 불연속적으로 존재하는 데이터를 서로 연결(link)한 형태로 구성되어 있다.

위의 그림에서 알 수 있듯이 링크드 리스트의 각 요소(node)들은 자신과 연결된 다음 요소에 대한 참조(주소값)와 데이터로 구성되어 있다.

class Node {
	Node nest; // 다음 요소의 주소를 저장
    Object obj; // 데이터를 저장
}

링크드 리스트에서의 데이터 삭제는 간단하다. 삭제하고자 하는요소의 이전요소가 삭제하고자 하는 요소의 다음 요소를 참조하도록 변경하기만 하면 된다. 단 하나의 참조만 변경하면 삭제가 이루어지는 것이다. 배열처럼 데이터를 이동하기 위해 복사하는 과정이 없기 때문에 처리속도가 매우 빠르다.

새로운 데이터를 추가할 때는 새로운 요소를 생성한 다음 추가하고자 하는 위치의 이전 요소의 참조를 새로운 요소에 대한 참조로 변경해주고, 새로운 요소가 그 다음 요소를 참조하도록 변경하기만 하면 되므로 처리속도가 매우 빠르다.

링크드 리스트는 이동방향이 단방향이기 때문에 다음 요소에 대한 접근은 쉽지만 이전요소에 대한 접근은 어렵다. 이 점을 보완한 것이 더블 링크드 리스트(이중 연결리스트)이다.

더블 링크드 리스트는 단순히 링크드 리스트에 참조변수를 하나 더 추가하여 다음 요소에 대한 참조뿐 아니라 이전 요소에 대한 참조가 가능하도록 했을 뿐, 그 외에는 링크드 리스트와 같다.

더블 링크드 리스트는 링크드 리스트보다 각 요소에 대한 접근과 이동이 쉽기 때문에 링크드 리스트보다 더 많이 사용된다.

class Node {
	Node next; // 다음 요소의 주소를 저장
    Node previous; // 이전 요소의 주소를 저장
    Object obj; // 데이터를 저장
}

더블 링크드 리스트의 접근성을 보다 향상시킨 것이 '더블 써큘러 링크드 리스트(이중 원형 연결리스트)'인데, 단순히 더블 링크드 리스트의 첫 번째 요소와 마지막 요소를 서로 연결시킨 것이다. 이렇게 하면, 마지막요소의 다음요소가 첫 번째 요소가 되고, 첫 번째 요소의 이전 요소가 마지막 요소가 된다. 마치 TV의 마지막 채널에서 채널을 증가시키면 첫 번째 채널로 이동하고 첫 번째 채널에서 채널을 감소시키면 마지막 채널로 이동하는 것과 같다.

실제로 LinkedList클래스는 이름과 달리 '링크드 리스트'가 아닌 '더블 링크드 리스트'로 구현되어 있는데, 이는 링크드 리스트의 단점인 낮은 접근성(accessability)을 높이기 위한 것이다.

1.4 Stack과 Queue

스택은 마지막에 저장한 데이터를 가장 먼저 꺼내게 되는 LIFO(Last In First Out)구조로 되어 있고, 큐는 처음에 저장한 데이터를 가장 먼저 꺼내게 되는 FIFO(First In First Out)구조로 되어 있다.

스택과 큐의 활용

스택의 활용 예 - 수식계산, 수식괄호검사, 워드프로세서의 undo/redo, 웹브라우저의 뒤로/앞으로
큐의 활용 예 - 최근사용문서, 인쇄작업 대기목록, 버퍼(buffer)

PriorityQueue
Queue인터페이스의 구현체 중의 하나로, 저장한 순서에 관계없이 우선순위(priority)가 높은 것부터 꺼내게 된다는 특징이 있다. 그리고 null은 저장할 수 없다. null을 저장하면 NullPointerException이 발생한다.

PriorityQueue는 저장공간으로 배열을 사용하며, 각 요소를 '힙(heap)'이라는 자료구조의 형태로 저장한다.

Deque(Double-Ended Queue)
Queue의 변형으로, 한 쪽 끝으로만 추가/삭제할 수 있는 Queue와 달리, Deque(덱, 또는 디큐라고 읽음)은 양쪽 끝에 추가/삭제가 가능하다. Deque의 조상은 Queue이며, 구현체로는 ArrayDeque과 LinkedList 등이 있다.

덱은 스택과 큐를 하나로 합쳐놓은 것과 같으며 스택으로 사용할 수도 있고, 큐로 사용할 수도 있다. 위의 그림과 아래의 표를 같이 보면 어렵지 않게 이해할 수 있을 것이다.

Deque	Queue	Stack
offerLast()	offer()	push()
pollLast()	-	pop()
pollFirst()	poll()	-
peekFirst()	peek()
peekLast()	-	peek()

1.5 Iterator, ListIterator, Enumeration

Iterator, ListIterator, Enumeration은 모두 컬렉션에 저장된 요소를 접근하는데 사용되는 인터페이스이다. Enumeration은 Iterator의 구버젼이며, ListIterator는 Iterator의 기능을 향상 시킨 것이다.

Iterator
컬렉션 프레임웍에서는 컬렉션에 저장된 요소들을 읽어오는 방법을 표준화하였다. 컬렉션에 저장된 각 요소에 접근하능 기능을 가진 Iterator인터페이스를 정의하고, Collection인터페이스에는 'Iterator'를 반환하는 iterator()를 정의하고 있다.

public interface Iterator {
	boolean hasNext();
    Object next();
    void remove();
}

public interface Collection {
	...
    public Iterator iterator();
    ...
}

iterator()는 Collection인터페이스에 정의된 메서드이므로 Collection인터페이스의 자손인 List와 Set에도 포함되어 있다. 그래서 List나 Set인터페이스를 구현하는 컬렉션은 iterator()가 각 컬렉션의 특징에 알맞게 작성되어 있다. 컬렉션 클래스에 대해 iterator()를 호출하여 Iterator를 얻은 다음 반복문, 주로 while문을 사용해서 컬렉션 클래스의 요소들을 읽어 올 수 있다.

ArrayList에 저장된 요소들을 출력하기 위한 코드는 다음과 같이 작성할 수 있다.

List list = new ArrayList(); // 다른 컬렉션으로 변경할 때는 이 부분만 고치면 된다.

Iterator it = list.iterator();

while(it.hasNext()) {
	System.out.println(it.next());
}

ArrayList대신 List인터페이스를 구현한 다른 컬렉션 클래스에 대해서도 이와 동일한 코드를 사용할 수 있다. 첫 줄에서 ArrayList대신 List인터페이스를 구현한 다른 컬렉션 클래스의 객체를 생성하도록 변경하기면 하면 된다.

Iterator를 이용해서 컬렉션의 요소를 읽어오는 방법을 표준화했기 때문에 이처럼 코드의 재사용성을 높이는 것이 가능한 것이다.

이처럼 공통 인터페이스를 정의해서 표준을 정의하고 구현하여 표준을 따르도록 함으로써 코드의 일관성을 유지하여 재사용성을 극대화하는 것이 객체지향 프로그래밍의 중요한 목적 중의 하나이다.

Map인터페이스를 구현한 컬렉션 클래스는 키(key)와 값(value)를 쌍(pair)으로 저장하고 있기 때문에 iterator()를 직접 호출할 수 없고, 그 대신 keySet()이나 entrySet()과 같은 메서드를 통해서 키와 값을 각각 따로 Set의 형태로 얻어 온 후에 다시 iterator()를 호출해야 Iterator를 얻을 수 있다.

ListIterator와 Enumeration
Enumeration은 컬렉션 프레임웍이 만들어지기 이전에 사용하던 것으로 Iterator의 구버젼이라고 생각하면 된다. 이전 버전으로 작성된 소스와의 호환을 위해서 남겨두고 있을 뿐이므로 가능하면 Enumeration대신 Iterator를 사용하자.

ListIterator는 Iterator를 상속받아서 기능을 추가한 것으로, 컬렉션의 요소에 접근할 때 Iterator는 단방향으로만 이동할 수 있는데 반해 ListIterator는 양방향으로의 이동이 가능하다. 다만 ArrayList나 LinkedList와 같이 List인터페이스를 구현한 컬렉션에서만 사용할 수 있다.

Enumeration: Iterator의 구버젼
ListIterator: Iterator에 양방향 조회기능추가(List를 구현한 경우만 사용가능)

다음은 Enumeration, Iterator, ListIterator의 메서드에 대한 설명이다. Enumeration과 Iterator는 메서드이름만 다를 뿐 기능은 같고, ListIterator는 Iterator에 이전방향으로의 접근기능을 추가한 것일 뿐이라는 것을 알 수 있다.

1.6 Arrays

Arrays클래스에는 배열을 다루는데 유용한 메서드가 정의되어 있다. 같은 기능의 메서드가 배열의 타입만 다르게 오버로딩되어 있어서 많아 보이지만, 실제로는 그리 많지 않다. 아래는 Arrays에 정의된 toString()인데, 모든 기본형 배열과 참조형 배열 별로 하나씩 정의되어 있다.

같은 메서드를 배열의 타입별로 일일이 설명할 필요는 없으므로, 앞으로 매개변수의 타입이 int배열인 메서드에 대한 사용법만 살펴볼 것이다.

배열의 복사 - copyOf(), copyOfRange()
copyOf()는 배열 전체를, copyOfRange()는 배열의 일부를 복사해서 새로운 배열을 만들어 반환한다. 늘 그렇듯이 copyOfRange()에 지정된 범위의 끝은 포함되지 않는다.

배열 채우기 - fill(), setAll()
fill()은 배열의 모든 요소를 지정된 값으로 채운다. setAll()은 배열을 채우는데 사용할 함수형 인터페이스를 매개변수로 받는다. 이 메서드를 호출할 때는 함수형 인터페이스를 구현한 객체를 매개변수로 지정하던가 아니면 람다식을 지정해야한다.

위의 문장에 사용된 'i->(int)(Math.random()*5)+1)'은 '람다식'인데 1~5의 범위에 속한 임의의 정수를 반환하는 일을 한다. 그리고 setAll()메서드는 이 람다식이 반환한 임의의 정수로 배열을 채운다.

배열의 정렬과 검색 - sort(), binarySearch()
sort()는 배열을 정렬할 때, 그리고 배열에 저장된 요소를 검색할 때는 binarySearch()를 사용한다. binarySearch()는 배열에서 지정된 값이 저장된 위치(index)를 찾아서 반환하는데, 반드시 배열이 정렬된 상태이어야 올바른 결과를 얻는다. 그리고 만일 검색한 값과 일치하는 요소들이 여러 개 있다면, 이 중에서 어떤 것의 위치가 반환될지는 알 수 없다.

배열의 첫 번째 요소부터 순서대로 하나씩 검색하는 것을 '순차 검색'이라고 하는데, 이 검색 방법은 배열이 정렬되어 있을 필요는 없지만 배열의 요소를 하나씩 비교하기 때문에 시간이 많이 걸린다. 반면에 이진 검색은 배열의 검색할 범위를 반복적으로 절반씩 줄여가면서 검색하기 때문에 검색속도가 상당히 빠르다. 배열의 길이가 10배가 늘어나도 검색 횟수는 3~4회 밖에 늘어나지 않으므로 큰 배열의 검색에 유리하다. 단, 배열이 정렬이 되어 있는 경우에만 사용할 수 있다는 단점이 있다.

문자열의 비교와 출력 - equals(), toString(), deepEquals(), deepToString()
toString()배열의 모든 요소를 문자열로 편하게 출력할 수 있다. toString()은 일차원 배열에만 사용할 수 있으므로, 다차원 배열에는 deepToString()을 사용해야 한다. deepToString()은 배열의 모든 요소를 재귀적으로 접근해서 문자열을 구성하므로 2차원뿐만 아니라 3차원 이상의 배열에 대해서도 동작한다.

equals()는 두 배열에 저장된 모든 요소를 비교해서 같으면 true, 다르면 false를 반환한다. equals()도 일차원 배열에만 사용가능하므로, 다차원 배열의 비교에는 deepEquals()를 사용해야한다.

위와 같이 2차원 String배열을 equals()로 비교하면 배열에 저장된 내용이 같은데도 false를 결과로 얻는다. 다차원 배열은 '배열의 배열'의 형태로 구성하기 때문에 equals()로 비교하면, 문자열을 비교하는 것이 아니라 '배열에 저장된 배열의 주소'를 비교하게 된다. 서로 다른 배열은 항상 주소가 다르므로 false를 결과로 얻는다.

배열읠 List로 변환 - asList(Object... a)
asList()는 배열을 List에 담아서 반환한다. 매개변수의 타입이 가변인수라서 배열 생성없이 저장할 요소들만 나열하는 것도 가능하다.

한 가지 주의할 점은 asList()가 반환한 List의 크기를 변경할 수 없다는 것이다. 즉, 추가 또는 삭제가 불가능하다. 저장된 내용은 변경가능하다. 만일 크기를 변경할 수 있는 List가 필요하다면 다음과 같이 하면 된다.

parallelXXX(), spliterator(), stream()
이 외에도 'parallel'로 시작하는 이름의 메서드들이 있는데, 이 메서드들은 보다 빠른 결과를 얻기 위해 여러 쓰레드가 작업을 나누어 처리하도록 한다. spliterator()는 여러 쓰레드가 처리할 수 있게 하나의 작업을 여러 작업으로 나누는 Spliterator를 반환하며, stream()은 컬렉션을 스트림으로 변환한다.

1.7 Comparator와 Comparable

이전 예제에서 Array.sort()를 호출만 하면 컴퓨터가 알아서 배열을 정렬하는 것처럼 보이지만, 사실은 Character클래스의 Comparable의 구현에 의해 정렬되었던 것이다. Comparator와 Comparable은 모두 인터페이스로 컬렉션을 정렬하는데 필요한 메서드를 정의하고 있으면, Comparable을 구현하고 있는 클래스들은 같은 타입의 인스턴스끼리 서로 비교할 수 있는 클래스들, 주로 Integer와 같은 wrapper클래스와 String, Date, File과 같은 것들이며 기본적으로 오름차순, 즉 작은 값에서부터 큰 값의 순으로 정렬되도록 구현되어 있다. 그래서 Comparable을 구현한 클래스는 정렬이 가능하다는 것을 의미한다.

Comparator와 Comparable의 실제 소스는 다음과 같다.

compare()와 compareTo()는 선언형태와 이름이 약간 다를 뿐 두 객체를 비교한다는 같은 기능을 목적으로 고안된 것이다. compareTo()의 반환값은 int이지만 실제로는 비교하는 두 객체가 같으면 0, 비교하는 값보다 작으면 음수, 크면 양수를 반환하도록 구현해야 한다. 이와 마찬가지로 compare()도 객체를 비교해서 음수, 0, 양수 중의 하나를 반환하도록 구현해야한다.

equals메서드는 모든 클래스가 가지고 있는 공통적인 메서드이지만, Comparator를 구현하는 클래스는 오버라이딩이 필요할 수도 있다는 것을 알리기 위해서 정의한 것일 뿐, 그냥 compare(Object o1, Object o2)만 구현하면 된다.

위의 코드는 Integer클래스의 일부이다. Comparable의 compareTo(Object o)를 구현해놓은 것을 볼 수 있다. 두 Integer객체에 저장된 int값(vlaue)을 비교해서 같으면 0, 크면 -1, 작으면 1을 반환하는 것을 알 수 있다.

Comparable을 구현한 클래스들이 기본적으로 오름차순으로 정렬되어 있지만, 내림차순으로 정렬한다던가 아니면 다른 기준에 의해서 정렬되도록 하고 싶을 때 Comparator를 구현해서 정렬기준을 제공할 수 있다.

Comparable: 기본 정렬기준을 구현하는데 사용
Comparator: 기본 정렬기준 외에 다른 기준으로 정렬하고자할 때 사용

1.8 HashSet

HashSet은 Set인터페이스를 구현한 가장 대표적인 컬렉션이며, Set인터페이스의 특징대로 HashSet은 중복된 요소를 저장하지 않는다.

HashSet에 새로운 요소를 추가할 때는 add메서드나 addAll메서드를 사용하는데, 만일 HashSet에 이미 저장되어 있는 요소와 중복된 요소를 추가하고자 한다면 이 메서드들은 false를 반환함으로써 중복된 요소이기 때문에 추가에 실패했다는 것을 알린다.

ArrayList와 같이 List인터페이스를 구현한 컬렉션과 달리 HashSet은 저장순서를 유지하지 않으므로 저장순서를 유지하고자 한다면 LinkedHashSet을 사용해야한다.

1.9 TreeSet

TreeSet은 이진 검색 트리라는 자료구조의 형태로 데이터를 저장하는 컬렉션 클래스이다. 이진 검색 트리는 정렬, 검색, 범위검색에 높은 성능을 보이는 자료구조이며 TreeSet은 이진 검색 트리의 성능을 향상시킨 '레드-블랙 트리'로 구현되어 있다.

그리고 Set인터페이스를 구현했으므로 중복된 데이터의 저장을 허용하지 않으며 정렬된 위치에 저장하므로 저장순서를 유지하지도 않는다.

이진 트리는 링크드리스트처럼 여러 개의 노드(node)가 서로 연결된 구조로, 각 노드에 최대 2개의 노드를 연결할 수 있으며 '루트(root)'라고 불리는 하나의 노드에서부터 시작해서 계속 확장해 나갈 수 있다.

위 아래로 연결된 두 노드를 '부모-자식관계'에 있다고 하며 위의 노드를 부모 노드, 아래의 노드를 자식 노드라 한다. 부모-자식관계는 상대적인 거미며 하나의 부모 노드는 최대 두 개의 자식 노드와 연결될 수 있다.

아래의 그림에서 A는 B와 C의 부모 노드이고, B와 C는 A의 자식 노드이다.

이진 트리의 노드를 코드로 표현하면 다음과 같다.

데이터를 저장하기 위한 Object타입의 참조변수 하나와 두 개의 노드를 참조하기 위한 두 개의 참조변수를 선언했다.

이진 검색 트리는 부모노드의 왼쪽에는 부모노드의 값보다 작은 값의 자식노드를 오른쪽에는 큰 값의 자식노드를 저장하는 이진 트리이다.

예를 들어 데이터를 5, 1, 7의 순서로 저장한 이진 트리의 구조는 아래와 같이 표현할 수 있다.

예를 들어 이진검색트리에 7, 4, 9, 1, 5의 순서로 값을 저장한다고 가정하면 다음과 같은 순서로 진행된다.

첫 번째로 저장되는 값은 루트가 되고, 두 번째 값은 트리의 루트부터 시작해서 값의 크기를 비교하면서 트리를 따라 내려간다. 작은 값은 왼쪽에 큰 값은 오른쪽에 저장한다. 이렇게 트리를 구성하면, 왼쪽 마지막 레벨이 제일 작은 값이 되고 오른쪽 마지막 레벨의 값이 제일 큰 값이 된다.

TreeSet에 저장되는 객체가 Comparable을 구현하던가 아니면, Comparator를 제공해서 두 객체를 비교할 방법을 알려줘야 한다. 그렇지 않으면, TreeSet에 두 번째 객체를 저장할 때 예외가 발생한다.

왼쪽 마지막 값에서부터 오른쪽 값까지 값을 '왼쪽 노드 -> 부모 노드 -> 오른쪽 노드' 순으로 읽어오면 오름차순으로 정렬된 순서를 얻을 수 있다. TreeSet은 이처럼 정렬된 상태를 유지하기 때문에 단일 값 검색과 범위검색, 예를 들면 3과 7사이의 범위에 있는 값을 검색이 매우 빠르다.

저장된 값의 개수에 비례해서 검색시간이 증가하긴 하지만 값의 개수가 10배 증가해도 특정 값을 찾는데 필요한 비교횟수가 3~4번만 증가할 정도로 검색효율이 뛰어난 자료구조이다.

트리는 데이터를 순차적으로 저장하는 것이 아니라 저장위치를 찾아서 저장해야하고, 삭제하는 경우 트리의 일부를 재구성해야하므로 링크드 리스트보다 데이터의 추가/삭제시간은 더 걸린다. 그 대신 배열이나 링크드 리스트에 비해 검색과 정렬기능이 더 뛰어나다.

이진 검색 트리는
-모든 노드는 최대 두 개의 자식노드를 가질 수 있다.
-왼쪽 자식노드의 값은 부모노드의 값보다 작고 오른쪽 자식노드의 값은 부모노드의 값보다 커야한다.
-노드의 추가 삭제에 시간이 걸린다.(순차적으로 저장하지 않으므로)
-검색(범위검색)과 정렬에 유리하다.
-중복된 값을 저장하지 못한다.

1.10 HashMap과 Hashtable

Hashtable과 HashMap의 관계는 Vector와 ArrayList의 관계와 같아서 Hashtable보다는 새로운 버전인 HashMap을 사용할 것을 권한다.

HashMap은 Map을 구현했으므로 앞에서 살펴본 Map의 특징, 키(key)와 값(value)을 묶어서 하나의 데이터(entry)로 저장한다는 특징을 갖는다. 그리고 해싱(hashing)을 사용하기 때문에 많은 양의 데이터를 검색하는데 있어서 뛰어난 성능을 보인다.

HashMap은 Entry라는 내부 클래스를 정의하고, 다시 Entry타입의 배열을 선언하고 있다. 키와 값은 별개의 값이 아니라 서로 관련된 값이기 때문에 각각의 배열로 선언하기 보다는 하나의 클래스로 정의해서 하나의 배열로 다루는 것이 데이터의 무결성(integrity)적인 측면에서 더 바람직하기 때문이다.

HashMap은 키와 값을 각각 Object타입으로 저장한다. 즉 (Object, Object)의 형태로 저장하기 때문에 어떠한 객체도 저장할 수 있지만 키는 주로 String을 대문자 또는 소문자로 통일해서 사용하곤 한다.

키는 저장된 값을 찾는데 사용되는 것이기 때문에 컬렉션 내에서 유일(unique)해야 한다. 즉, HashMap에 저장된 데이터를 하나의 키로 검색했을 때 결과가 단 하나이어야 함을 뜻한다. 만일 하나의 키에 대해 여러 검색결과 값을 얻는다면 원하는 값이 어떤 것인지 알 수 없기 때문이다.

예를 들어 사용자ID가 키로, 비밀번호가 값으로 연결되어 저장된 데이터집합이 있다고 가정하자. 로그인 시에 비밀번호를 확인하기 위해서 입력된 사용자ID에 대한 비밀번호를 검색했을 때, 단 하나의 결과를 얻어야만 올바른 비밀번호를 입력했는지 확인이 가능할 것이다. 만일 하나의 사용자 ID에 대해서 두 개 이상의 비밀번호를 얻는다면 어떤 비밀번호가 맞는 것인지 알 수 없다.

해싱과 해시함수
해싱이란 해시함수(hash function)를 이용해서 데이터를 해시테이블(hash table)에 저장하고 검색하는 기법을 말한다. 해시함수는 데이터가 저장되어 있는 곳을 알려 주기 때문에 다량의 데이터 중에서도 원하는 데이터를 빠르게 찾을 수 있다.

해싱을 구현한 컬렉션 클래스로는 HashSet, HashMap, Hashtable 등이 있다. Hashtable은 컬렉션 프레임웍이 도입되면서 HashMap으로 대체되었으나 이전 소스와의 호환성 문제로 남겨 두고 있다. 가능하면 Hashtable대신 HashMap을 사용하도록 하자.

해싱에서 사용되는 자료구조는 다음과 같이 배열과 링크드 리스트의 조합으로 되어 있다.

저장할 데이터의 키를 해시함수에 넣으면 배열의 한 요소를 얻게 되고, 다시 그 곳에 연결되어 있는 링크드 리스트에 저장하게 된다.

1.11 TreeMap

TreeMap은 이름에서 알 수 있듯이 이진검색트리의 형태로 키와 값의 쌍으로 이루어진 데이터를 저장한다. 그래서 검색과 정렬에 적합한 컬렉션 클래스이다.

HashMap과 TreeMap의 검색성능에 관한 것인데, 검색에 관한 대부분의 경우에서 HashMap이 TreeMap보다 더 뛰어나므로 HashMap을 사용하는 것이 좋다. 다만 범위검색이나 정렬이 필요한 경우에는 TreeMap을 사용하자.

1.12 Properties

Properties는 HashMap의 구버전인 Hashtable을 상속받아 구현한 것으로, Hashtable을 키와 값을 (Object, Object)의 형태로 저장하는 데 비해 Properties는 (String, String)의 형태로 저장하는 보다 단순화된 컬렉션클래스이다.

주로 애플리케이션의 환경설정과 관련된 속성(property)을 저장하는데 사용되며 데이터를 파일로부터 읽고 쓴느 편리한 기능을 제공한다. 그래서 간단한 입출력은 Properties를 활용하면 몇 줄의 코드로 쉽게 해결될 수 있다.

1.13 Collections

Arrays가 배열과 관련된 메서드를 제공하는 것처럼, Collections는 컬렉션과 관련된 메서드를 제공한다. fill(), copy(), sort(), binarySearch() 등의 메서드는 두 클래스에 모두 포함되어 있으며 같은 기능을 한다.

컬렉션의 동기화
멀티 쓰레드 프로그래밍에서는 하나의 객체를 여러 쓰레드가 동시에 접근할 수 있기 때문에 데이터의 일관성을 유지하기 위해서는 공유되는 객체에 동기화가 필요하다

Vector와 Hashtable과 같은 구버젼의 클래스들은 자체적으로 동기화 처리가 되어 있는데, 멀티쓰레드 프로그래밍이 아닌 경우에는 불필요한 기능이 되어 성능을 떨어뜨리는 요인이 된다.

그래서 새로 추가된 ArrayList와 HashMap과 같은 컬렉션은 동기화를 자체적으로 처리하지 않고 필요한 경우에만 java.util.Collections클래스의 동기화 메서드를 이용해서 동기화처리가 가능하도록 변경하였다.

Collections클래스에는 다음과 같은 동기화 메서드를 제공하고 있으므로, 동기화가 필요할 때 해당하는 것을 사용하면 된다.

이 들을 사용하는 방법은 다음과 같다.

변경불가 컬렉션 만들기
컬렉션에 저장된 데이터를 보호하기 위해서 컬렉션을 변경할 수 없게, 즉 읽기전용으로 만들어야할 때가 있다. 주로 멀티 쓰레드 프로그래밍에서 여러 쓰레드가 하나의 컬렉션을 공유하다보면 데이터가 손상될 수 있는데, 이를 방지하려면 아래의 메서드들을 이용하자.

싱글톤 컬렉션 만들기
인스턴스를 new연산자가 아닌 메서드를 통해서만 생성할 수 있게 함으로써 생성할 수 있는 인스턴스의 개수를 제한하는 방법에 대해서 6장에서 배웠다. 이러한 기능을 제공하는 것이 바로 'singleton'으로 시작하는 메서드이다.

매개변수로 저장할 요소를 지정하면, 해당 요소를 저장하는 컬렉션을 반환한다. 그리고 반환된 컬렉션은 변경할 수 없다.

한 종류의 객체만 저장하는 컬렉션 만들기
컬렉션에 모든 종류의 객체를 저장할 수 있다는 것은 장점이기도하고 단점이기도 하다. 대부분의 경우 한 종류의 객체를 저장하며, 컬렉션에 지정된 종류의 객체만 저장할 수 있도록 제한하고 싶을 때 아래의 메서드를 사용한다.

사용방법은 다음과 같이 두 번째 매개변수에 저장할 객체의 클래스를 지정하면 된다.

컬렉션에 저장할 요소의 타입을 제한하는 것은 다음 장에서 배울 지네릭스(generics)로 간단히 처리할 수 있는데도 이런 메서드들을 제공하는 이유는 호환성 때문이다. 지네릭스는 JDK1.5부터 도입된 기능이므로 JDK1.5이전에 작성된 코드를 사용할 때는 이 메서드들이 필요할 수 있다.