개요
컬렉션 프레임워크를 하나씩 살펴보자.
1. 배열의 특징1 - 배열과 인덱스
배열과 같이 여러 데이터(자료)를 구조화해서 다루는 것을 자료 구조라 한다.
자바는 배열 뿐만 아니라, 컬렉션 프레임워크라는 이름으로 다양한 자료 구조를 제공한다.
컬렉션 프레임 워크와 자료 구조를 설명하기 전에 먼저 자료 구조의 가장 기본이 되는 배열의 특징을 알아보자.
public class ArrayMain1 { public static void main(String[] args) { int[] arr = new int[5]; // index 입력 : O(1) System.out.println("==index 입력 : O(1)=="); arr[0] = 1; arr[1] = 2; arr[2] = 3; System.out.println(Arrays.toString(arr)); //index 변경: O(1) System.out.println("==index 변경: O(1)=="); arr[2] = 10; System.out.println(Arrays.toString(arr)); //index 조회: O(1) System.out.println("==index 조회: O(1)=="); System.out.println("arr[2] = " + arr[2]); //검색: O(n) System.out.println("==배열 검색: O(n)=="); System.out.println(Arrays.toString(arr)); int value = 10; for (int i = 0; i < arr.length; i++) { System.out.println("arr[" + i + "]:" + arr[i]); if (arr[i] == value) { System.out.println(value + " 찾음"); break; } } } }
메모리 그림
현재 배열의 시작 위치를
x100이라고 하자.
배열의 특징
- 배열에서 자료를 찾을 때 인덱스를 사용하면 매우 빠르게 자료를 찾을 수 있다.
- 인덱스를 통한 입력, 변경, 조회의 경우 한번의 계산
O(1)로 자료의 위치를 찾을 수 있다.- 위의 그램에서
int는4byte를 차지한다.- 따라서, 배열의 시작 위치인
x100부터 시작해서 자료의 크기(4byte)와 인덱스 번호를 곱하면 원하는 메모리 위치를 찾을 수 있다.
정리
배열의 경우 인덱스를 사용하면 한번의 계산으로 매우 효율적으로 자료의 위치를 찾을 수 있다. 인덱스를 통한 입력, 변경, 조회 모두 한번의 계산으로 필요한 위치를 찾아서 처리할 수 있다. 정리하면 배열에서 인덱스를 사용하는 경우 데이터가 아무리 많아도 한 번의 연산으로 필요한 위치를 찾을 수 있다.
배열의 검색(입력, 변경, 조회와 다르다)
배열에 들어있는 데이터를 찾는 것을 검색이라 한다.
- 배열에 들어있는 데이터를 검색할 때는 배열에 들어있는 데이터를 하나하나 비교해야 한다.
- 이때는 이전과 같이 인덱스를 사용해서 한번에 찾을 수 없다.
- 대신에 배열안에 들어있는 데이터를 하나하나 확인해야 한다.
- 따라서, 평균적으로 볼때 배열의 크기가 클수록 오랜 시간이 걸린다.
배열의 크기와 검색 연산
- 배열의 크기 1 : ->
arr[0]연산 1회- 배열의 크기 2 : ->
arr[0], arr[1]연산 2회- 배열의 크기 3 : ->
arr[0], arr[1], arr[2]연산 3회- 배열의 크기 10 : ->
arr[0], arr[1], arr[2] ... arr[9]연산 10회배열의 순차 검색은 배열에 들어있는 데이터의 크기 만큼 연산이 필요하다.
배열의 크기가 n이면 연산도 n만큼 필요하다
2. 빅오 표기법
- 빅오 표기법은 알고리즘의 성능을 분석할 때 사용하는 수학적 표현 방식이다.
- 이는 특히 알고리즘이 처리해야할 데이터의 양이 증가할 때, 그 알고리즘이 얼마나 빠르게 실행되는지 나타낸다.
- 여기서 중요한 것은 알고리즘의 정확한 실행 시간을 계산하는 것이 아니라, 데이터 양의 증가에 따른 성능의 변화 추세를 이해하는 것이다.
빅오 표기법의 예시
- O(1) - 상수 시간: 입력 데이터의 크기에 관계없이 알고리즘의 실행 시간이 일정한다.
- 예) 배열에서 인덱스를 사용하는 경우
- O(n) - 선형 시간: 알고리즘의 실행 시간이 입력 데이터의 크기에 비례하여 증가한다.
- 예) 배열의 검색, 배열의 모든 요소를 순회하는 경우
- O(n²) - 제곱 시간: 알고리즘의 실행 시간이 입력 데이터의 크기의 제곱에 비례하여 증가한다.
- n²은
n * n을 뜻한다.- 예) 보통 이중 루프를 사용하는 알고리즘에서 나타남
- O(log n) - 로그 시간: 알고리즘의 실행 시간이 데이터 크기의 로그에 비례하여 증가한다.
- 예) 이진 탐색
- O(n log n) - 선형 로그 시간:
- 예) 많은 효율적인 정렬 알고리즘들
3. 배열의 특징 2 - 데이터 추가
- 이번에는 배열의 특정 위치에 데이터를 추가해보자.
- 추가는 기존 데이터를 유지하면서 새로운 데이터를 입력하는 것을 말한다.
- 참고로 데이터를 중간에 추가하면 기존 데이터가 오른쪽으로 한 칸씩 이동해야 한다.
- 이 말을 좀 더 쉽게 풀어보자면 데이터를 추가하려면 새로운 데이터를 입력할 공간을 확보해야 한다.
- 따라서 기존 데이터를 오른쪽으로 한 칸씩 밀어야 한다.
배열의 데이터 추가 예시
배열에 데이터를 추가하는 위치에 따라 크게 3가지로 나눌 수 있다.
- 배열의 첫번째 위치에 추가
- 배열의 첫번째 위치를 찾는데는 인덱스를 사용하므로
O(1)이 걸린다.- 모든 데이터를 배열의 크기만큼 한 칸씩 이동해야 한다. 따라서,
O(n)만큼의 연산이 걸린다.O(1+n)->O(n)이 된다.
- 배열의 중간 위치에 추가
- 배열의 위치를 찾는데는
O(1)이 걸린다.index의 오른쪽에 있는 데이터를 모두 한 칸씩 이동해야 한다. 따라서 평균 연산은O(n/2)이 된다.O(1 + n/2)->O(n)이 된다.
- 배열의 마지막 위치에 추가
- 이 경우 배열이 이동하지 않고 배열의 길이를 사용하면 마지막 인덱스에 바로 접근할 수 있으므로 한번의 계산으로 위치를 찾을 수 있고, 기존 배열을 이동하지 않으므로
O(1)이 된다.
배열의 한계
- 배열은 가장 기본적인 자료 구조이고, 특히 인덱스를 사용할 때 최고의 효율이 나온다.
- 하지만, 이런 배열에는 큰 단점이 있다. 바로 배열의 크기를 배열을 생성하는 시점에 미리 정해야 한다는 점이다.
- 그렇기 때문에 배열처럼 정적으로 길이가 정해져있는 것이 아니라, 동적으로 언제든지 길이를 늘리고 줄일 수 있는 자료구조가 필요하다.
4. 직접 구현하는 배열 리스트1 - 시작
배열의 경우 다음 2가지 불편함이 있다.
- 배열의 길이를 동적으로 변경할 수 없다.
- 데이터를 추가하기 불편하다.
- 데이터를 추가하는 경우 직접 오른쪽으로 한 칸씩 데이터를 밀어야 한다.
배열의 이런 불편함을 해소하고 동적으로 데이터를 추가할 수 있는 자료구조를
List(리스트)라 한다.
List 자료 구조
순서가 있고, 중복을 허용하는 자료 구조를 리스트라 한다.
일반적으로 배열과 리스트는 구분해서 이야기한다.
리스트는 배열보다 유연한 자료 구조로, 크기가 동적으로 변할 수 있다.
- 배열 : 순서가 있고 중복을 허용하지만 크기가 정적으로 고정된다.
- 리스트 : 순서가 있고 중복을 허용하지만 크기가 동적으로 변할 수 있다.
여기서 중복을 허용한다는 뜻은 같은 데이터를 입력할 수 있다는 것이다.
예를 들어서arr[0] = 1,arr[1] = 1은 하나의 배열에 같은 숫자1이 입력되었다. 이것이 중복을 허용한다는 뜻이다.
자료 구조 중에는 중복을 허용하지 않는 자료 구조도 존재한다.
참고로Set자료 구조가 그러하다.
MyArrayListV1 구현
배열을 활용해서 리스트 자료 구조를 직접 만들어보자.
보통 배열을 사용한 리스트라고 해서 ArrayList라고 부른다.
여기서는 MyArrayList라는 이름을 사용한다.
public class MyArrayListV1 { private static final int DEFAULT_CAPACITY =5; private Object[] elementData; private int size = 0; public MyArrayListV1(){ elementData = new Object[DEFAULT_CAPACITY]; } public MyArrayListV1(int initialCapacity){ elementData = new Object[initialCapacity]; } public int size(){ return size; } public void add(Object e){ elementData[size] = e; size++; } public Object get(int index){ return elementData[index]; } public Object set(int index, Object element){ Object oldValue = get(index); elementData[index] = element; return oldValue; } public int indexOf(Object o) { for (int i = 0; i < size; i++) { if (o.equals(elementData[i])) { return i; } } return -1; } @Override public String toString() { return Arrays.toString(Arrays.copyOf(elementData, size)) + " size=" + size + ", capacity=" + elementData.length; } }public class MyArrayListV1Main { public static void main(String[] args) { MyArrayListV1 list = new MyArrayListV1(); System.out.println("==데이터 추가=="); System.out.println(list); list.add("a"); System.out.println(list); list.add("b"); System.out.println(list); list.add("c"); System.out.println(list); System.out.println("==기능 사용=="); System.out.println("list.size(): " + list.size()); System.out.println("list.get(1): " + list.get(1)); System.out.println("list.indexOf('c'): " + list.indexOf("c")); System.out.println("list.set(2, 'z'), oldValue: " + list.set(2, "z")); System.out.println(list); System.out.println("==범위 초과=="); list.add("d"); System.out.println(list); list.add("e"); System.out.println(list); //범위 초과, capacity 가 늘어나지 않으면 예외 발생 list.add("f"); System.out.println(list); } }
size가 배열의 크기인capacity에 도달하면 더는 데이터를 추가할 수 없다. 따라서f값을 입력할 때 예외가 발생한다.
우리가 원하는 리스트는 동적으로 저장할 수 있는 크기가 커지는 것이다. 저장할 수 있는 데이터의 크기가 동적으로 변할 수 있도록 코드를 변경해보자.
5. 직접 구현하는 배열 리스트2 - 동적 배열
데이터를 추가할 때 리스트의 size가 배열의 크기인 capacity를 넘어가야 하는 상황이라면 더 큰 배열을 만들어서 문제를 해결해보자.
public class MyArrayListV2 { private static final int DEFAULT_CAPACITY = 5; private Object[] elementData; private int size = 0; public MyArrayListV2() { elementData = new Object[DEFAULT_CAPACITY]; } public MyArrayListV2(int initialCapacity) { elementData = new Object[initialCapacity]; } public int size() { return size; } public void add(Object e) { //코드 추가 if (size == elementData.length) { grow(); } // 여기까지 코드 추가 아래 두 줄은 원래 있던 코드 elementData[size] = e; size++; } //코드 추가 private void grow() { int oldCapacity = elementData.length; int newCapacity = oldCapacity * 2; elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity); } public Object get(int index) { return elementData[index]; } public Object set(int index, Object element) { Object oldValue = get(index); elementData[index] = element; return oldValue; } public int indexOf(Object o) { for (int i = 0; i < size; i++) { if (o.equals(elementData[i])) { return i; } } return -1; } @Override public String toString() { return Arrays.toString(Arrays.copyOf(elementData, size)) + " size=" + size + ", capacity=" + elementData.length; } }
- 추가된 부분은
grow()메서드와 이 메서드를 호출하는add()메서드이다.add()메서드에서 데이터를 추가할 때size가 배열의 크기에 도달했다면 더는 데이터를 추가할 수 없다.- 따라서, 이때는
grow()를 호출해서 기존 배열을 복사한 새로운 배열을 만들고 배열의 크기도 여유있게 2배로 늘려준다.Arrays.copyOf(기존배열, 새로운길이): 새로운 길이로 배열을 생성하고, 기존 배열의 값을 새로운 배열에 복사한다.
public class MyArrayListV2Main { public static void main(String[] args) { MyArrayListV2 list = new MyArrayListV2(2); System.out.println(list); list.add("a"); System.out.println(list); list.add("b"); System.out.println(list); list.add("c"); System.out.println(list); list.add("d"); System.out.println(list); list.add("e"); System.out.println(list); list.add("f"); System.out.println(list); } }배열의 크기를 초과할 때
- (1) 데이터를 추가하면
size가 배열의 크기인capacity를 초과하게 된다.- (2) 이때,
grow()메서드를 호출하는데, 이 메서드는 다음과 같은 역할을 수행
- (2) 2배 큰 배열을 새로 생성한다.
- (3) 새로운 배열에 기존 배열의 값을 복사한다.
Arrays.copyOf(기존배열, 새로운길이)를 사용해서 2배 큰 배열을 새로 생성하면서 동시에 새로운 배열에 기존 배열의 값을 복사한다.- (4) 참조값을 변경한다. (다음 그림 참고)
- 이렇게 되면 내부 데이터를 보관하는
elementData는 기존보다 2배 큰capacity를 가진 배열을 보유하게 된다.- (5) 이렇게 증가된 배열에 데이터를 추가하면 된다. 물론 데이터가 추가되었으므로
size도 하나 증가시킨다.- 기존 배열(
x001)은 더는 참조하는 곳이 없으므로 GC의 대상이 된다.
grow()를 호출할 때 배열의 크기는 기존과 비교해서 2배씩 증가한다.
- 데이터가 하나 추가될 때 마다 배열의 크기를 1씩만 증가하게 되면 배열을 복사하는 연산이 너무 자주 발생할 가능성이 높다.
- 배열을 새로 복사해서 만드는 연산은 배열을 새로 만들고 또 기존 데이터를 복사하는 시간이 걸리므로 가능한 줄이는 것이 좋다. 이렇게 2배씩 증가하면 배열을 새로 만들고 복사하는 연산을 줄일 수 있다. 반면에 배열의 크기를 너무 크게 증가하면 사용되지 않고 낭비되는 메모리가 많아지는 단점이 발생할 수 있다.
- 참고로 예제를 단순화 하기 위해 여기서는 2배씩 증가했지만, 보통 50% 정도 증가하는 방법을 사용한다.
정리
- 우리가 만든
MyArrayListV2는 정적인 배열과 다르게 크기가 동적으로 변하는 자료 구조이다.- 따라서, 데이터의 크기를 미리 정하지 않아도 된다. 물론
MyArrayListV2의 내부에서는 배열을 사용하지만,MyArrayListV2를 사용하는 개발자들은 이런 부분을 신경쓰지 않아도 된다.
6. 직접 구현하는 배열 리스트3 - 기능 추가
MyArrayList를 더 가치있게 만들기 위해 다음 기능을 추가하자.
add(Index, 데이터): index 위치에 데이터를 추가한다.remove(Index)index 위치의 데이터를 삭제한다.
public class MyArrayListV3 { private static final int DEFAULT_CAPACITY = 5; private Object[] elementData; private int size = 0; public MyArrayListV3() { elementData = new Object[DEFAULT_CAPACITY]; } public MyArrayListV3(int initialCapacity) { elementData = new Object[initialCapacity]; } public int size() { return size; } public void add(Object e) { if (size == elementData.length) { grow(); } elementData[size] = e; size++; } //코드 추가 public void add(int index, Object e) { if (size == elementData.length) { grow(); } shiftRightFrom(index); elementData[index] = e; size++; } private void grow() { int oldCapacity = elementData.length; int newCapacity = oldCapacity * 2; elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity); } //코드 추가, 요소의 마지막부터 index 까지 오른쪽으로 밀기 private void shiftRightFrom(int index) { for (int i = size; i > index; i--) { elementData[i] = elementData[i - 1]; } } public Object get(int index) { return elementData[index]; } public Object set(int index, Object element) { Object oldValue = get(index); elementData[index] = element; return oldValue; } //코드 추가 public Object remove(int index) { Object oldValue = get(index); shiftLeftFrom(index); size--; elementData[size] = null; return oldValue; } //코드 추가, 요소의 index 부터 마지막까지 왼쪽으로 밀기 private void shiftLeftFrom(int index) { for (int i = index; i < size - 1; i++) { elementData[i] = elementData[i + 1]; } } public int indexOf(Object o) { for (int i = 0; i < size; i++) { if (o.equals(elementData[i])) { return i; } } return -1; } @Override public String toString() { return Arrays.toString(Arrays.copyOf(elementData, size)) + " size=" + size + ", capacity=" + elementData.length; } }
public class MyArrayListV3Main { public static void main(String[] args) { MyArrayListV3 list = new MyArrayListV3(); //마지막에 추가 //O(1) list.add("a"); list.add("b"); list.add("c"); System.out.println(list); //원하는 위치에 추가 System.out.println("addLast"); list.add(3, "addLast"); //O(1) System.out.println(list); System.out.println("addFirst"); list.add(0, "addFirst"); //O(n) System.out.println(list); //삭제 Object removed1 = list.remove(4);//remove Last O(1) System.out.println("remove(4)="+ removed1); System.out.println(list); Object removed2 = list.remove(0);//remove First O(n) System.out.println("remove(0)=" + removed2); System.out.println(list); } }
정리
- 지금까지 우리가 만든 자료 구조를 배열 리스트(
ArrayList)라 한다. - 리스트(List) 자료 구조를 사용하는데, 내부의 데이터는 배열(Array)에 보관하는 것이다.
- 이런 배열 리스트의 빅오는 아래와 같다.
배열 리스트의 빅오
- 데이터 추가
- 마지막에 추가: O(1)
- 앞, 중간에 추가: O(n)
- 데이터 삭제
- 마지막에 삭제: O(1)
- 앞, 중간에 삭제: O(n)
- 인덱스 조회: O(1)
- 데이터 검색: O(n)
7. 직접 구현하는 배열 리스트4 - 제네릭1
- 앞서 만든
MyArrayList들은Object를 입력받기 때문에 아무 데이터나 입력할 수 있고, 또 결과로Object를 반환한다. - 따라서 필요한 경우 다운 캐스팅을 해야하고, 또 타입 안전성이 떨어지는 단점이 있다.
public class MyArrayListV3BadMain { public static void main(String[] args) { MyArrayListV3 numberList = new MyArrayListV3(); // 숫자만 입력 하기를 기대 numberList.add(1); numberList.add(2); numberList.add("문자3"); //문자를 입력 System.out.println(numberList); // Object 를 반환하므로 다운 캐스팅 필요 Integer num1 = (Integer) numberList.get(0); Integer num2 = (Integer) numberList.get(1); // ClassCastException 발생, 문자를 Integer 로 캐스팅 Integer num3 = (Integer) numberList.get(2); } }
numberList에는 숫자만 입력하기를 기대했지만,Object를 받아서 저장하기 때문에 자바의 모든 타입을 다 저장할 수 있다. 따라서 숫자를 입력하다가 실수로 문자를 입력해도 아무런 문제가 되지 않는다.- 값을 꺼낼 때
Object를 반환하기 때문에, 원래 입력한 타입으로 받으려면 다운 캐스팅을 해야한다. 이때 입력한 데이터 타입을 정확하게 알고 있지 않으면 예외가 발생한다. 지금처럼 중간에 문자가 들어가면 문제가 될 수 있다.- 제네릭을 도입하면 타입 안정성을 확보하면서 이런 문제를 한번에 해결할 수 있다.
public class MyArrayListV4<E> { private static final int DEFAULT_CAPACITY = 5; private Object[] elementData; private int size = 0; public MyArrayListV4() { elementData = new Object[DEFAULT_CAPACITY]; } public MyArrayListV4(int initialCapacity) { elementData = new Object[initialCapacity]; } public int size() { return size; } public void add(E e) { if (size == elementData.length) { grow(); } elementData[size] = e; size++; } public void add(int index, E e) { if (size == elementData.length) { grow(); } shiftRightFrom(index); elementData[index] = e; size++; } //요소의 마지막부터 index 까지 오른쪽으로 밀기 private void shiftRightFrom(int index) { for (int i = size; i > index; i--) { elementData[i] = elementData[i - 1]; } } @SuppressWarnings("unchecked") public E get(int index) { return (E) elementData[index]; } public E set(int index, E element) { E oldValue = get(index); elementData[index] = element; return oldValue; } public E remove(int index) { E oldValue = get(index); shiftLeftFrom(index); size--; elementData[size] = null; return oldValue; } //요소의 index 부터 마지막까지 왼쪽으로 밀기 private void shiftLeftFrom(int index) { for (int i = index; i < size - 1; i++) { elementData[i] = elementData[i + 1]; } } public int indexOf(E o) { for (int i = 0; i < size; i++) { if (o.equals(elementData[i])) { return i; } } return -1; } private void grow() { int oldCapacity = elementData.length; int newCapacity = oldCapacity * 2; elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity); } @Override public String toString() { return Arrays.toString(Arrays.copyOf(elementData, size)) + " size=" + size + ", capacity=" + elementData.length; } }
MyArrayListV4<E>로 제네릭 타입을 선언한다.E는Element로 요소의 줄임말이다.Object로 입력받고 출력했던 곳을 타입 매개변수E로 변경한다.Object[] elementData는 그대로 유지한다.
public class MyArrayListV4Main { public static void main(String[] args) { MyArrayListV4<String> stringList = new MyArrayListV4<>(); stringList.add("a"); stringList.add("b"); stringList.add("c"); String string = stringList.get(0); System.out.println("string = " + string); MyArrayListV4<Integer> intList = new MyArrayListV4<>(); intList.add(1); intList.add(2); intList.add(3); Integer integer = intList.get(0); System.out.println("integer = " + integer); } }
- 이제
stringList에는String문자열만 보관하고 조회하고,intList에는Integer숫자만 보관하고 조회할 수 있다.- 다른 타입의 값을 저장하면 컴파일 오류가 발생한다.
- 추가로 값을 조회할 때도 위험한 다운 캐스팅 없이 지정한 타입으로 안전하게 조회할 수 있다.
8. 직접 구현하는 배열 리스트5 - 제네릭2
Object 배열을 사용한 이유
Object[] elementData을 그대로 사용하는 이유
- 제네릭은 런타임에 이레이저에 의해 타입 정보가 사라진다.
- 따라서 런타임에 타입 정보가 필요한 생성자에 사용할 수 없다.
- 따라서 제네릭을 기반으로 배열을 생성하는 다음 코드는 작동하지 않고, 컴파일 오류가 발생한다. 참고로 이것은 자바가 제공하는 제네릭의 한계이다.
new E[DEFAULT_CAPACITY]- 대신에 다음과 같이 모든 데이터를 담을 수 있는
Object를 그대로 사용해야 한다.
new Object[DEFAULT_CAPACITY]
9. MyArrayList의 단점
배열을 사용한 리스트인
MyArrayList는 다음과 같은 단점이 있다.
- 정확한 크기를 미리 알지 못하면 메모리가 낭비된다. 배열을 사용하므로 배열 뒷 부분에 사용되지 않고, 낭비되는 메모리가 있다.
- 데이터를 중간에 추가하거나 삭제할 때 비효율적이다.
- 이 경우 데이터를 한 칸씩 밀어야 한다. 이것은
O(n)으로 성능이 좋지 않다.- 만약 데이터의 크기가 1,000,000건이라면 최악의 경우 데이터를 추가할 때 마다 1,000,000건의 데이터를 밀어야 한다.
배열 리스트는 순서대로 마지막에 데이터를 추가하거나 삭제할 때는 성능이 좋지만, 앞이나 중간에 데이터를 추가하거나 삭제할 때는 성능이 좋지 않다.
이런 단점을 해결한 자료 구조에는 링크드 리스트( LinkedList )가 있다.
안녕하세요. wony입니다.