[Java] Overflow & Underflow, Type Conversion

💡 모든 코드는 아래 링크에서 직접 실행해 볼 수 있다.
https://www.sololearn.com/compiler-playground/java

Decimal Types in Java

Java에는 byte, short, int, long의 4가지 정수 타입이 존재한다.

실수 타입(number) 하나로 모든 숫자를 표현하는 JavaScript보다는 많고,
부호 없는 정수(unsigned int)까지 존재하는 Go보다는 적다.

각 타입은 순서대로 1, 2, 4, 8 byte의 메모리 공간을 차지한다.

💡 사실 char이라는 2byte 정수 타입이 하나 더 존재한다.
이는 단일 유니코드 문자를 표현하기 위해 사용되며, 크기는 short와 같지만,
Java에서 유일하게 부호 없는 정수 타입이기 때문에 short와 같은 byte 크기임에도 불구하고
타입 변환이 불가하다.
부호의 유무 때문에 short는 -32,768 ~ 32,767, char은 0 ~ 65,535로
다른 범위를 갖고, 같은 비트패턴이어도 다른 수를 가리키게 되기 때문이다.

1byte는 8bit이기 때문에 이진수로 2^8까지 표현이 가능하다.
byte 타입은 1byte이므로 2^8인 256가지 경우의 수를 표현할 수 있고,
short는 2byte이므로 2^16인 65,535가지 경우의 수를 표현할 수 있다.
같은 원리로 int는 4,294,967,296가지,
long은 18,446,744,073,709,551,616가지 경우의 수를 표현할 수 있다.

Overflow

그렇다면 만약 각 타입의 범위를 넘어서는 수를 넣으면 어떻게 될까.

public class Program
{
    public static void main(String[] args) {
		byte b1 = 127;
        byte b2 = 128; // Incompatible types. Found: 'int', required: 'byte'
        System.out.println(b1);
		System.out.println(b2);
	}
}

오류가 발생한다.
기본적으로 정수 리터럴은 4byte인 int로 인식하는데,
byte 타입 변수의 범위는 -128 ~ 127이기 때문에 이 범위 안의 정수 리터럴을
byte 타입의 변수에 대입하면 자동 형변환을 해주기 때문에 정상적으로 동작하지만,
이 범위를 벗어나는 값은 자동으로 형변환하지 않고 오류를 발생시킨다.

public class Program
{
    public static void main(String[] args) {
		byte b1 = 127;
        byte b2 = (byte) 128;
        System.out.println(b1); // -128
		System.out.println(b2);
	}
}

byte 범위를 벗어나는 정수 리터럴을 byte 타입 변수에 할당하고 싶다면,
위와 같이 명시적으로 타입 변환을 해주면 된다.

그런데 127에 1이 추가된 128을 대입했는데, 결과는 -128이 나온다.
이유인 즉슨, byte 범위의 최댓값은 127이고, 거기에 1을 더하면 범위를 벗어나기 때문에
최솟값인 -128로 돌아가게 되는 것이다.
이를 Overflow라고 부른다.
타입이 가질 수 있는 최댓값을 넘어가서 다시 최솟값이 된 것이다.

Underflow

반대로 Underflow는 타입이 가질 수 있는 최솟값보다 밑으로 내려가서 다시 최댓값이 되는 것이다.

public class Program
{
    public static void main(String[] args) {
		byte b1 = -128;
        byte b2 = (byte) -129;
        System.out.println(b1); // 127
		System.out.println(b2);
	}
}

아날로그 시계를 생각하면 된다.

12시에서 1시간을 더하면 13시가 아닌 1시가 되고,
1시에서 1시간을 빼면 0시가 아닌 12시가 되는 것과 유사하다.

Implicit Type Conversion(Promotion)

byte 타입은 실제로 메모리 상에서 8칸 짜리 byte 배열이라고 생각하면 된다.
[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]과 같은 형태일 것이다.
이를 간결하게 00000000으로 표기하겠다.

short는 2byte 크기이므로 00000000 00000000과 같은 형태일 것이다.

그렇다면 더 적은 메모리 공간을 갖는 byte를 short로 변환하면 어떻게 될까.

11을 이진수로 나타내면 00001011이다.
그래서 byte 타입에 11을 저장하면 실제로는 00001011이 메모리에 저장될 것이다.

이를 short 타입으로 변환하면 앞에 00000000을 하나 더 붙여주면 된다.
00001011 -> 00000000 00001011이 되는 것이다.

위처럼 더 작은 타입을 더 큰 타입으로 변환하는데는 아무런 문제가 없다.
그래서 Java는 이런 경우 자동으로 타입 변환을 해준다.

그래서 이를 Implicit Type Converion(암시적 형변환)이라고 부른다.

코드로 직접 실행하며 확인해보자.

public class Program
{
    public static void main(String[] args) {
		byte b = 11;
        short s = b;
        System.out.println(s); // 11
	}
}

short 타입 변수에 byte 타입의 값을 넣어도 아무 문제 없이 11이 출력되는 것을 볼 수 있다.

public class Program
{
    public static void main(String[] args) {
		short s = 1;
        char c = s; // java: incompatible types: possible lossy conversion from short to char
	}
}

단, char 타입은 short와 마찬가지로 2byte의 크기를 가짐에도 불구하고 형변환이 불가능하다.
앞서 살펴봤듯 char가 애초에 음수 범위를 포함하지 않는 Unsigned 타입이기 때문에,
0 ~ 65,535의 범위를 가져서 같은 비트패턴이어도 전혀 다른 수를 가리키기 때문이다.

Explicit Type Conversion(Type Casting)

아까와 반대로 이번에는 더 큰 short 타입을 더 작은 byte 타입 변수에 할당해보자.

public class Program
{
    public static void main(String[] args) {
		short s = 1;
        byte b = s; // java: incompatible types: possible lossy conversion from short to byte
	}
}

possible lossy conversion이라는 오류가 보인다.

타입 변환으로 인해 데이터가 유실될 가능성이 있다는 뜻이다.

위 코드에서 short 타입 변수 s의 비트패턴은 00000000 00000001일 것이다.
만약 코드가 정상적으로 실행된다면 byte는 8bit이므로
뒷부분의 비트패턴만 가져올 것이고 00000001이 할당될 것이다.

위 케이스에서는 손실되는 데이터가 전혀 없다.

그러나 s가 만약 00001111 00000001이었다면?

앞의 00001111은 byte 타입의 변수에 담을 수 없다.
이 경우에도 마찬가지로 00000001만 저장되어 1이 될 것이다.

그래서 데이터가 유실될 가능성이 있다는 오류가 나타난 것이다.

경우에 따라 다르겠지만 실제 서비스에서 이런 데이터 유실이 발생한다면, 거대한 오류를 초래할 수 있다.

계좌 이체나 로켓 궤도를 계산하는 등의 아주 민감한 작업에서는
작은 데이터의 손실이 돌이킬 수 없는 결과를 낳기 때문이다.

그래서 이러한 오류를 사전 예방하기 위해서 프로그램을 실행하기 전인 컴파일 타임에 미리 알려주는 것이고,
만약 개발자가 이러한 데이터 유실 가능성을 알고 있음에도 불구하고, 완벽히 수의 범위를 컨트롤해서 오류를 발생시키지 않을 자신이 있다면, 그 때 타입 변환을 명시하면 제대로 작동할 것이다.

public class Program
{
    public static void main(String[] args) {
		short s = 1;
        byte b = (byte) s;
        System.out.println(b); // 1
	}
}

바로 위와 같은 경우다.
1이 short에 담기면 비트패턴은 00000000 00000001이다.
이 중 첫번째 byte가 00000000이므로 아무런 데이터가 담겨있지 않다는 것을 우리는 확실히 알고 있다.

그래서 두번째 byte만 byte 타입 변수 b에 담을 것이고, 이 과정에서 어떠한 데이터 손실도 일어나지 않는다.
(byte) s와 같이 변환할 타입을 직접 명시해서 강제로 타입을 변환하는 것을 타입 캐스팅이라고 부르며,
이에 따른 오류 발생 등의 책임은 온전히 개발자에게 있기 때문에 사용할 때 항상 주의해야 한다.