불변 클래스는 별다른 동기화 방법을 적용하지 않았다 해도 어느 스레드에서건 마음껏 안전하게 사용할 수 있다.
불변 클래스란 그 인스턴스의 내부 값을 수정할 수 없는 클래스. 불변 인스턴스에 간직된 정보는 고정되어 객체가 파괴되는 순간까지 절대 달라지지 않는다.
String, 기본 타입의 박싱된 클래스, BigInteger, BigDecimal 등이 여기에 속한다.
클래스를 불변으로 만들려면 다음 다섯 규칙을 따르면 된다.
불변 객체는 단순하다 : 가변 객체는 임의의 복잡한 상태에 놓일 수 있기 때문에 가변 객체는 믿고 사용하기 어렵다. 하지만 불변 객체는 생성된 시점의 상태를 파괴될 때까지 그대로 간직한다. 단순하며 믿고 사용할 수 있다.
근본적으로 스레드 안전하여 동기화 할 필요가 없다 : 여러 스레드가 동시에 사용해도 절대 훼손되지 않는다. 클래스를 thread safe하게 만드는 가장 쉬운 방법이기도 하다.
불변객체는 안심하고 공유 가능 : 스레드 간 영향을 주고받을 수 없기 때문이다.
한번 만든 인스턴스 최대한 재활용 가능
public static final Complex ZERO = new Complex(0,0);
불변객체는 자유롭게 공유할 수 있음은 물론, 불변 객체끼리는 내부 데이터를 공유할 수 있다.
BigInteger
클래스를 살펴보면 부호(sign)와 크기(magnitude)를 각각의 필드로 표현합니다. 크기는 같고 부호만 반대로 표현하는 negate
메서드를 보면 새로운 BigInteger를 생성하는데, 아래와 같이 가변인 배열을 복사하지 않고 원본 인스턴스와 공유하여 사용합니다. 그 결과 새로 만든 BigInteger 인스턴스도 원본 인스턴스가 가리키는 내부 배열을 그대로 가리킨다.public class BigInteger extends Number implements Comparable<BigInteger> {
final int signum;//부호
final int[] mag;//크기(절댓값)
// ...코드 생략
public BigInteger negate() {
return new BigInteger(this.mag, -this.signum);
}
}
객체를 만들 때 다른 불변 객체들을 구성요소로 사용하면 이점이 많다 : 값이 바뀌지 않는 구성요소들로 이뤄진 객체라면 그 구조가 복잡해도 불변식 유지가 수월. 좋은 예로, 불변 객체는 맵의 키와 Set의 원소로 쓰기에 좋다. Map, Set의 구성요소들을 불변 객체로 사용. 맵이나 Set은 안에 담긴 값이 바뀌면 불변식이 허무러지는데 불변 객체를 사용하면 그런 걱정은 하지 않아도 된다.
불변객체는 그 자체로 실패 원자성을 제공한다 : 상태가 절대 변하지 않으니 잠깐이라도 불일치 상태에 빠질 가능성이 없다.
값이 다르면 반드시 독립된 객체로 만들어야 한다.값의 가짓수가 많으면 이를 모두 만드는데 큰 비용이 필요하다.
값의 가짓수가 많다면 이들을 모두 만드는 데 큰 비용을 치러야 한다. 예컨데 백만 비트짜리 BigInteer에서 비트 하나를 바꿔야 한다고 해보자.
flibBIt 메서드는 새로운 BigInteger인스턴스를 생성할 때, 워본과 단지 한비트만 다름에도 백만 비트짜리 인스턴스를 또 생성하는 것이다. 이 연산은 BigInteger의 크기에 비례해 시간과 공간을 잡아먹는다. BItSet도 BigInteger처럼 임의 길의의 비트 순열을 표현하지만, BigInteger와는 달리 ‘가변'이다. BigSet 클래스는 원하는 비트 하나만 상수 시간 안에 바꿔주는 메서드를 제공한다.
// bigInteger.flipBit(0); O(n)
public BigInteger flipBit(int n) {
if (n < 0) {
throw new ArithmeticException("Negative bit address");
} else {
int intNum = n >>> 5;
int[] result = new int[Math.max(this.intLength(), intNum + 2)];
for(int i = 0; i < result.length; ++i) {
result[result.length - i - 1] = this.getInt(i);
}
result[result.length - intNum - 1] ^= 1 << (n & 31);
return valueOf(result);
}
}
// bitset.flip(0); O(1)
public void flip(int bitIndex) {
if (bitIndex < 0) {
throw new IndexOutOfBoundsException("bitIndex < 0: " + bitIndex);
} else {
int wordIndex = wordIndex(bitIndex);
this.expandTo(wordIndex);
long[] var10000 = this.words;
var10000[wordIndex] ^= 1L << bitIndex;
this.recalculateWordsInUse();
this.checkInvariants();
}
}
위의 BigInteger와 같이 원하는 객체를 완성하기까지의 단계가 많고, 그 중간 단계에서 만들어진 객체들이 모두 버려져야 한다면 성능 문제가 더 불거진다. 이 문제에 대처하는 방법은
ex.BigInteger의 내부 연산을 빠르게 하기 위한 클래스로 SignedMutableBigInteger,BitSieve, 등의 package-private 클래스가 사용되며, 모듈러 지수 연산과 같은 복잡한 연산을 빠르게 하기 위한 가변 동반 클래스로 사용된다.
ㄱ. final 클래스 : 상속을 막는다.
ㄴ. 정적 팩터리를 제공하는 방법 : final 클래스보다 더 유연한 설계로 상속을 막을 수 있다.모든 생성자를 private 혹은 package-private으로 만들고 public 정적 팩터리를 제공한다. 패키지 바깥의 클라이언트에서 바라본 이 불변객체는 사실상 final이다. public이나 protected 생성자가 없으니 다른 패키지에서는 이 클래스를 확장하는게 불가능하기 때문 (아이템 1)
public class Complex {
private final double re;
private final double im;
private Complex(double re, double im) {
this.re = re;this.im = im;
}
public static Complex valueOf(doulble re, double im) {
return new Complex(re, im);
}
}
이 두 클래스의 메서드가 모두 재정의할 수 있게 설계되어있음. 인수로 받은 객체가 '진짜'인지 확인하고, 신뢰할 수 없는 하위 클래스의 인스턴스라고 확인되면, 이 인수들은 가변으로 가정하고 방어적으로 복사해서 사용해야한다 (아이템 50)
BigInteger를 상속받은 새로운 클래스를 만들 경우, 해당 자식 클래스는 가변 클래스일 수 있다. 하지만, 클라이언트/개발자는 이 자식 클래스가 부모 타입인 BigInteger로 오해하여 thread safe하다고 생각할 수 있다. 그러니 타입을 확인해야 한다.
public static BigInteger safeInstance(BigInteger val) {
return val.getClass() == BigInteger.class ?
val : new BigInteger(val.toByteArray());
}
"어떤 메서드도 객체의 상태 중 외부에 비치는 값을 변경할 수 없다."
계산 비용이 큰 값을 나중에 계산하여 final 이 아닌 필드에 캐싱해둔다.
String 또한 hashCode 메서드가 처음 불렀을 때 해시 값을 계산해 final 필드가 아닌 hash 필드에 캐시한다. 이 때 지연초기화 방식을 사용한다. hashCode 재연산 비용을 줄일 수 있다.
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