[Java] 불변객체(Immutable Object)에 대해 알아보자

📚 이번주 멘토링 시간에 <자바의 신> 책을 꼼꼼히 읽었다고 생각했는데 막상 질문 주신 것에 대해 답변을 못했다. 그 이유는 온전히 내 것으로 만들지 못했기 때문에라고 생각한다. 이번주부터는 읽은 내용과 이해한 내용을 모두 블로그에 정리하며 "~~가 뭔가요?"라는 질문에 대답할 수 있게끔 공부한 내용을 머릿속에 집어넣을 예정이다.

---

불변 객체(immutable object) 란?

객체 지향 프로그래밍에 있어서 불변객체(immutable object)는 생성 후 그 상태를 바꿀 수 없는 객체를 말한다. 그렇기 때문에 한 번 생성이 되면 신뢰할 수 있는 객체가 된다.

가장 대표적인 불변객체로는 String, Integer, Boolean, BigDecimal ...이 있다. 아래의 예제는 String을 예로 들었다.

String str = "a"; //(1) 
str = "b"; //(2) 
str = "Immutable"; //(3)

String은 참조변수이기 때문에 메모리 상 heap영역에 저장이 된다. 위의 코드를 실행하면 메모리상 객체 생성과 참조가 어떻게 일어나는지 살펴보자.

(1)을 실행하면 heap영역에 str이 참조하고 있는 "a"라는 객체가 생성된다.
(2)를 실행하면 "a"라는 객체가 "b"라는 값으로 변하는 것이 아니라 "b"라는 새로운 객체를 만든다. 그리고 (1)에서 생성되었던 str은 "b"객체를 바라본다.
(3)을 실행하면 "Immutable"이라는 새로운 객체를 만든다. 그리고 (1)에서 생성되었던 str은 "Immutable"객체를 바라본다.

위의 코드를 (3)까지 실행하게 되면 (1),(2)에서 생성했던 "a","b"라는 객체는 아무것도 참조하고 있지 않는 객체가 되어 GC의 대상이 된다.

위의 예제에서 볼 수 있듯이 String은 불변객체라 "a"에서 "b" 로 변하는 것이 아닌 새로운 객체를 생성한다.

왜 불변 객체를 사용하는가?

1. 불변객체는 근본적으로 쓰레드에 안전하여 동기화를 시킬 필요가 없다.
한 번 생성된 불변객체에 대해서는 다른 어떤 쓰레드도 다른 쓰레드에 영향을 줄 수 없다. 그렇기 때문에 불변객체는 안심하고 공유가 가능하다.

2. 불변객체는 그 자체로 실패 원자성을 제공한다.
실패 원자성이란 호출된 메소드가 실패하더라도 해당 객체는 메소드 호출 전 상태가 유지되어야 한다는 것이다. 불변객체는 상태가 절대로 변하지 않기 때문에 이를 제공한다.

불변 객체를 어떻게 만드는가?

1. setter를 사용하지 않는다. (객체의 상태를 변경하는 메소드 미제공)
2. private으로 선언한다.
3. final을 선언한다. (final에 대해서 궁금하다면 "final 을 알아보자 "게시물을 참고해보자)

위의 세개를 기억하고 불변객체를 직접 만들어보자.

    public class ImmutablePhone {

        private final String name; //final로 선언
        private final int number; //final로 선언 

        public ImmutablePhone(String name, int number) { // 객체생성 및 변수 값 부여는 생성자를 통해서만 
            this.name = name;
            this.number = number;
        }
        // setter미존재 
    }

위처럼 클래스를 생성하면 객체를 생성할 때 생성자를 통해서만 name, number의 값을 넣을 수 있고, 외부에서는 final로 선언되어 있기 때문에 값이 변경이 되지 않는다.

하지만 불변객체 내에 가변객체를 참조받고 있다면 이야기가 달라진다. 아래의 예시를 보자

    public class ImmutablePhone { // (1) 

        private final Iphone iphone;

        public ImmutablePhone(final Iphone iphone) {
            this.iphone = iphone;
        }

        public Iphone getIphone() {
            return iphone;
        }
    }

    class Iphone { // (2) 

        private int version;

        public Iphone(int version) {
            this.version = version;
        }

        public void setVersion(int version) {
            this.version = version;
        }

        public int getVersion() {
            return version;
        }
    }

(1) 은 final을 이용하여 변수를 선언하였고, setter메소드 역시 만들지 않았다. (2)를 참조 변수로 받고 있다.
(2) 는 그냥 일반 객체이다. setter와 getter가 존재.

// 실행코드 
    public static void main(String[] args) {
        
        Iphone iphone = new Iphone(10);
        ImmutablePhone phone = new ImmutablePhone(iphone);

        System.out.println(phone.getIphone().getVersion()); // 10

        phone.getIphone().setVersion(14);
        System.out.println(phone.getIphone().getVersion()); // 14
    
    }

}

phone이라는 일반객체를 만든 뒤 ImmutablePhone 객체를 생성 후 참조객체로 Iphone을 넣는다. 일반객체로 참조변수를 받아서 일반객체에 접근하여 setter를 조작할 수 있는 것을 볼 수 있다. 즉 (1)에 아무리 final을 선언하고 setter를 없앤다 해도 참조되는 객체가 불변객체가 아니라면 접근하여 값 조작이 가능하다는 것이다. 그렇기 때문에 불변객체가 되려면 참조객체 역시 불변객체여야 한다는 것을 알 수 있다.

그렇다면 List같은 경우는 어떻게 처리해야 할까?

public class ListObject {

    private final List<ImmutablePhone> phone;

    public ListObject(final List<ImmutablePhone> phone) { // 새로운 List를 만들어 원본 객체에 접근 못하도록 한다. 
        this.phone = new ArrayList<>(phone);

    }

    public List<ImmutablePhone> getPhone() {
        // return시 복사본을 return하면 된다 
        // unmodifiableList()로 리턴되는 객체는 원본을 수정할 수 없다. 
        // 즉, read-only만 가능한 메소드이다. 
        return Collections.unmodifiableList(phone);
    }
}

위의 코드와 같이 복사본을 return시킨다. Collection.unmodifiableList() 메소드로 인해 return되는 객체는 원본 컬렉션으로 접근이 불가하며 read-only상태가 된다.

public class ImmutableTest {

    public static void main(String[] args) {
        List<ImmutablePhone> immutablePhone = new ArrayList<>();
        immutablePhone.add(new ImmutablePhone(new Iphone(3)));
        immutablePhone.add(new ImmutablePhone(new Iphone(4)));
        ListObject listObject = new ListObject(immutablePhone);
        for (ImmutablePhone list : listObject.getPhone()) {
            System.out.println(list.getIphone().getVersion()); // 3 // 4 
        }
        immutablePhone.add(new ImmutablePhone(new Iphone(5)));
        immutablePhone.add(new ImmutablePhone(new Iphone(6)));
        for (ImmutablePhone list : listObject.getPhone()) {
            System.out.println(list.getIphone().getVersion()); // 3 // 4 
        }
    }
}

이처럼 불변객체를 만들려면 참조객체 역시 불변이어야 한다는 점을 꼭 유의해야 한다.