[Java] 컬렉션 프레임워크 ①

kiteB·2022년 2월 21일
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[ 컬렉션 프레임워크 소개 ]

애플리케이션을 개발하다 보면 다수의 객체를 저장해 두고 필요할 때마다 꺼내서 사용하는 경우가 많다.

다수의 데이터를 다루는 방법은

  • 배열을 이용하는 방법
  • 컬렉션 프레임워크를 이용하는 방법

두 가지가 있다. 하나씩 알아보자!


1. 배열 ( Array )

가장 간단한 방법은 배열을 이용하는 것이다.

//길이 10인 배열 생성
Product[] array = new Product[10];

//객체 추가
array[0] = new Product("model1");
array[1] = new Product("model2");

//객체 검색
Product model1 = array[0];
Product model2 = array[1];

//객체 삭제
array[0] = null;
array[1] = null;

배열은 "쉽게 생성하고 사용할 수 있다"는 장점이 있지만 다음과 같은 단점/문제점이 있다.

  • 한 번 생성된 배열의 길이는 늘리거나 줄일 수 없다.
    → 불특정 다수의 객체를 저장할 때는 사용이 어렵다.
  • 객체를 삭제했을 때 해당 인덱스가 비게 된다.
    • 그래서 새로운 객체를 저장하려면 어디가 비어 있는지 확인하는 코드가 추가적으로 필요하다.

2. 컬렉션 프레임워크 ( Collection Framework )

자바는 배열의 문제점을 해결하고, 널리 알려져 있는 자료구조를 바탕으로 객체들을 효율적으로 추가/삭제/검색할 수 있도록 java.util 패키지에 컬렉션과 관련된 인터페이스와 클래스들을 포함시켜 놓았다. 이들을 총칭해서 컬렉션 프레임워크라고 부른다.

💡 정리하자면, 컬렉션 프레임워크란

  • 다수의 데이터를 쉽고 효과적으로 처리할 수 있는 표준화된 방법을 제공하는 클래스의 집합이다.
  • 데이터를 저장하는 자료 구조와 데이터를 처리하는 알고리즘을 구조화하여 클래스로 구현해 놓은 것이다.
  • 자바 컬렉션은 객체를 수집해서 저장하는 역할을 한다.
  • 프레임워크란 사용 방법을 미리 정해 놓은 라이브러리이다.

✅ 주요 인터페이스

자바 컬렉션 프레임워크는 몇 가지 인터페이스를 통해서 다양한 컬렉션 클래스를 이용할 수 있도록 하고 있다.

컬렉션 프레임워크의 주요 인터페이스로는 List, Set, Map이다.

이 인터페이스들은 컬렉션을 사용하는 방법을 정의한 것으로,
다음은 이 인터페이스로 사용 가능한 컬렉션 클래스를 보여준다.

  • ArrayList, Vector, LinkedList는 List 인터페이스를 구현한 클래스로, List 인터페이스로 사용 가능한 컬렉션이다.
  • HashSet, TreeSet은 Set 인터페이스를 구현한 클래스로 Set 인터페이스로 사용 가능한 컬렉션이다.
  • HashMap, HashTable, TreeMap, Properties는 Map 인터페이스를 구현한 클래스로 Map 인터페이스로 사용 가능한 컬렉션이다.

📌 List, Set, Map 비교

  • List와 Set은 객체를 추가/삭제/검색하는 방법에 많은 공통점이 있기 때문에 이 인터페이스들의 공통된 메소드들만 모아 Collection 인터페이스로 정의해 두고 있다.
  • Map은 키와 값을 하나의 쌍으로 묶어서 관리하는 구조로 되어 있어, List 및 Set과는 사용 방법이 완전히 다르다.

📌 각 인터페이스별로 사용할 수 있는 컬렉션 특징

[ List 컬렉션 ]

List 컬렉션은 객체를 일렬로 늘어놓은 구조를 가지고 있다.

✅ List

  • 객체를 인덱스로 관리하기 때문에 객체를 저장하면 자동 인덱스가 부여되고 인덱스로 객체를 검색/삭제할 수 있는 기능을 제공한다.
  • List 컬렉션은 객체 자체를 저장하는 것이 아니라 객체의 번지를 참조한다.
    • 동일한 객체를 중복 저장할 수 있는데, 이 경우 동일한 번지가 참조된다.
    • null을 저장하는 경우에는 해당 인덱스는 객체를 참조하지 않는다.
  • List 컬렉션에는 ArrayList, Vector, LinkedList 등이 있다.

✅ List 인터페이스의 메소드들

다음은 List 컬렉션에서 공통적으로 사용 가능한 List 인터페이스의 메소드들이다. 인덱스로 객체를 관리하기 때문에 인덱스를 매개값으로 갖는 메소드가 많다.

  • List 인터페이스가 제네릭 타입이기 때문에 메소드의 매개 변수 타입과 리턴 타입에 E라는 타입 파라미터가 있다.
    • 구체적인 타입은 구현 객체를 생성할 때 결정된다.
  • 객체 추가는 add() 메소드를, 객체 검색은 get() 메소드를, 객체 삭제는 remove() 메소드를 사용한다.

다음은 List 컬렉션에 구체적인 타입을 String으로 정해놓고, 추가/삽입/찾기/삭제하는 예제이다.

List<String> list = ...;
list.add("자바");			//맨 끝에 객체 추가
list.add(1, "Java");		//지정된 인덱스에 객체 삽입
String str = list.get(1);	//인덱스로 객체 찾기
list.remove(0);				//인덱스로 객체 삭제
list.remove("Java");		//객체 삭제

만약 전체 객체를 대상으로 하나씩 반복해서 저장된 객체를 얻고 싶다면 다음과 같이 for문을 사용할 수 있다.

List<String> list = ...;
for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
    String str = list.get(i);	//i 인덱스에 저장된 String 객체를 가져온다.
}

인덱스 번호가 필요 없다면 향상된 for문을 이용하는 것이 더 편리하다.

for (String str : list) {
}

1. ArrayList

ArrayList는 List 인터페이스의 구현 클래스로, ArrayList에 객체를 추가하면 객체가 인덱스로 관리된다.


✅ 배열과 ArrayList

일반 배열과 ArrayList는 인덱스로 객체를 관리한다는 점에서는 유사하지만, 큰 차이점을 가지고 있다.

  • 배열은 생성할 때 크기가 고정되고 사용 중에 크기를 변경할 수 없다.
  • ArrayList는 저장 용량(capacity)을 초과한 객체들이 들어오면 자동적으로 저장 용량이 늘어난다.

✅ ArrayList 생성 방법

ArrayList를 생성하기 위해서는 저장할 객체 타입을 타입 파라미터로 표기하고 기본 생성자를 호출하면 된다.

예를 들어 String을 저장하는 ArrayList는 다음과 같이 생성할 수 있다.

List<String> list = new ArrayList<String>();

기본 생성자로 ArrayList 객체를 생성하면 내부에 10개의 객체를 저장할 수 있는 초기 용량을 가지게 된다. 저장되는 객체 수가 늘어나면 용량이 자동으로 증가하지만, 처음부터 용량을 크게 잡고 싶다면 용량의 크기를 매개값으로 받는 생성자를 이용하면 된다.

List<String> list = new ArrayList<String>(30);	//String 객체 30개를 저장할 수 있는 용량을 가짐.

✅ ArrayList 생성 - 자바 4와 자바 5 방식 비교

자바 4 이전까지는 타입 파라미터가 없었기 때문에 다음과 같이 ArrayList 객체를 생성하였다. 이렇게 생성된 ArrayList는 모든 종류의 객체를 저장할 수 있다. 그 이유는 객체가 저장될 때 Object 타입으로 변환되어 저장되기 때문이다.

List list = new ArrayList();

모든 종류의 객체를 저장할 수 있다는 장점은 있지만, 저장할 때 Object로 변환하고, 찾아올 때 원래 타입으로 변환해야 하므로 실행 성능에 좋지 못한 영향을 미친다.

일반적으로 컬렉션에는 단일 종류의 객체들만 저장된다. 그래서 자바 5부터 제네릭을 도입하여 ArrayList 객체를 생성할 때 타입 파라미터로 저장할 객체의 타입을 지정함으로써 불필요한 타입 변환을 하지 않도록 하였다. 이후에 소개되는 모든 컬렉션 객체들도 마찬가지 이유로 타입 파라미터를 이용해서 저장할 객체의 타입을 지정할 수 있다. 

//자바 4 이전
List list = new ArrayList();	//컬렉션 생성
list.add("자바");				//컬렉션에 객체 추가
Object obj = list.get(0);		//컬렉션에서 객체 검색
String name = (String) obj;		//타입 변환 후 "자바"를 얻을 수 있음
//자바 5 이후
list<String> list = new ArrayList<String>();	//컬렉션 생성
list.add("자바");								//컬렉션에 객체 추가
String name = list.get(0);			//컬렉션에서 객체 검색, "자바"를 바로 얻음

ArrayList에 객체를 추가하면 인덱스 0부터 차례대로 저장된다. ArrayLisy에서 특정 인덱스의 객체를 제거하면 바로 뒤 인덱스부터 마지막 인덱스까지 모두 앞으로 1씩 당겨진다. 마찬가지로 특정 인덱스에 객체를 삽입하면 해당 인덱스부터 마지막 인덱스까지 모두 1씩 밀려난다.

따라서 빈번한 객체 삭제와 삽입이 일어나는 곳에서는 ArrayList를 사용하는 것이 바람직하지 않다. 이런 경우라면 LinkedList를 사용하는 것이 좋다. 그러나 인덱스 검색이나, 맨 마지막에 객체를 추가하는 경우에는 ArrayList가 더 좋은 성능을 발휘한다.


✅ Arrays.asList(T..a)

ArrayList를 생성하고 런타임 시 필요에 의해 객체들을 추가하는 것이 일반적이지만, 고정된 객체들로 구성된 List를 생성할 때도 있다. 이런 경우에는 Arrays.asList(T..a) 메소드를 사용하는 것이 간편하다.

List<T> list = Arrays.asList(T..a);

T 타입 파라미터에 맞게 asList()의 매개값을 순차적으로 입력하거나, T[] 배열을 매개값으로 주면 된다.


2. Vector

Vector는 ArrayList와 동일한 내부 구조를 가지고 있다. Vector를 생성하기 위해서는 저장할 객체 타입을 타입 파라미터로 표기하고 기본 생성자를 호출하면 된다.

List<E> list = new Vector<E>();

ArrayList와 다른 점은 Vector는 동기화된(synchronized) 메소드로 구성되어 있기 때문에 멀티스레드가 동시에 이 메소드들을 실행할 수 없고, 하나의 스레드가 실행을 완료해야만 다른 스레드를 실행할 수 있다. 그래서 멀티 스레드 환경에서 안전하게 객체를 추가/삭제할 수 있다. ("스레드가 안전(Thread Safe)하다")


3. LinkedList

LinkedList는 List 구현 클래스이므로 ArrayList와 사용 방법은 똑같지만 내부 구조는 완전 다르다.
ArrayList는 내부 배열에 객체를 저장해서 인덱스로 관리하지만, LinkedList는 인접 참조를 링크해서 체인처럼 관리한다.

LinkedList에서 특정 인덱스의 객체를 제거하면 앞뒤 링크만 변경되고 나머지 링크는 변경되지 않는다. 특정 인덱스에 객체를 삽입할 때에도 마찬가지이다. ArrayList는 중간 인덱스의 객체를 제거하면 뒤의 객체는 인덱스가 1씩 앞으로 당겨진다. 그렇기 때문에 빈번한 객체 삽입/삭제가 일어나는 곳은 ArrayList보다 LinkedList가 좋은 성능을 발휘한다.


✅ LinkedList 생성

LinkedList를 생성하기 위해서는 저장할 객체 타입을 타입 파라미터(E)에 표기하고 기본 생성자를 호출하면 된다. 

List<E> list = new LinkedList<E>();

LinkedList가 처음 생성할 때에는 어떠한 링크도 만들어지지 않기 때문에 내부는 비어 있다고 보면 된다.


✅ ArrayList vs LinkedList

  • 끝에서부터(순차적으로) 추가/삭제하는 경우는 ArrayList가 빠르지만,
  • 중간에 추가/삭제할 경우에는 앞뒤 링크 정보만 변경하면 되는 LinkedList가 더 빠르다.
  • ArrayList는 뒤쪽 인덱스들을 모두 1씩 증가/감소시키는 시간이 필요하므로 처리 속도가 느리다.

[ 참고자료 ]

이것이 자바다 책
http://tcpschool.com/java/java_collectionFramework_concept
http://www.tcpschool.com/java/java_array_oneDimensional
http://tcpschool.com/java/java_collectionFramework_list

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