String 클래스를 조심히 사용하자.

자바로 프로그래밍 할 때 java.lang.Object와 기본 자료형(Primitive Object)을 제외하고 가장 많이 사용하는 객체는 String 클래스일 것이다.

String 클래스는 잘 사용하면 상관이 없지만, 잘못 사용하면 메모리와 성능에 많은 영향을 준다.

String 클래스

우선 String 클래스는 Immutable Object(불변 객체)이다.

String str = "Hello"
str += "World!"

위 예제는 str의 값을 바꾸는 코드가 아니다.

heap 영역에서 “Hello” 객체를 참조하다가 “HelloWorld!” 객체를 참조하도록 재할당했을 뿐이다.

String 클래스는 왜 불변 객체로 설계했을까?

public static void main(String[] args) {
    String s1 = "Hello World";
    String s2 = "Hello World";
    String s3 = new String("Hello World");
    System.out.println(s1 == s2);
    System.out.println(s2 == s3);
}

위 코드의 출력 결과를 생각해보자.

결과는 아래와 같다.

true
false

이러한 출력 결과는 String 클래스를 불변 객체로 설계한 것과 관련 있다.

궁금하다면 Why String is Immutable in Java? 글을 통해 String 클래스를 왜 불변 객체로 설계했는지 학습해보자.

String 객체 + 연산

String 객체에서 문제가 되는 부분은 우리가 흔히 사용하는 + 연산에 있다.

String str = "Hello";
str += "World!";

앞서 말했듯이 String 클래스는 불변 객체이기 때문에 위와 같은 코드는 str의 값이 바뀐 것이 아니라 str에 “Hello”와 “World!”를 더한 새로운 String 객체가 재할당 될 뿐이다.

실제로 아래 예제와 같이 객체의 주소 값을 출력해보면 + 연산을 하기 전과 후가 다르게 출력하는 것을 볼 수 있다.

public static void main(String[] args) {
    String str = "Hello,";
    System.out.println(System.identityHashCode(str));
    str += "world!";
    System.out.println(System.identityHashCode(str));
}
// 출력 결과
460141958
1163157884

String 객체의 + 연산이 문제가 되는 이유가 바로 여기에 있다.

str += "world!"; 연산이 실행되면 앞서 String str = "Hello,";로 초기화했던 str 객체는 버려져 Garbage Colletion, 이하 GC의 대상이 된다.

public String plusString() {
    String temp = "";
    for (int i = 1; i <= 1000; i++) {
        temp += i;
    }
    return temp;
}

위와 같이 반복문을 통해 String 객체에서 1000번의 + 연산을 했다면 1,000개의 객체가 버려져 GC의 대상이 되는 것이다.

GC는 하면 할수록 시스템의 CPU를 사용하고 시간도 많이 소요되기 때문에 GC의 대상이 되는 객체를 최소화해야 한다. 즉 이러한 작업은 쓸데없이 메모리를 많이 사용하고 GC에 의해 응답 속도에 많은 영향을 미치게 된다.

StringBuilder, StringBuffer

StringBuilder와 StringBuffer는 String 데이터 변경을 위해 자바에서 제공하는 객체이다. 내부적으로 동적 배열로 구현되어있다.

위에서 살펴봤던 String 객체 + 연산의 문제점을 해결해줄 방법이 바로 StringBuilder와 StringBuffer를 사용하는 것이다. 두 객체가 제공하는 기능(메서드)은 같다.

두 객체의 append 메서드나 insert 메서드를 사용하면 버려지는 객체 없이 문자열을 더할 수 있다.

위에서 살펴봤던 반복문으로 숫자를 + 연산하는 코드는 아래와 같이 수정할 수 있다.

public String plusString() {
    StringBuilder builder = new StringBuilder();
    for (int i = 1; i <= 1000; i++) {
        builder.append(i);
    }
    return builder.toString();
}

StringBuilder 객체를 한 번만 생성해서 문자열을 더해주므로 버려지는 객체가 없다.

사실 JDK 5.0 이상에서는 String 객체로 + 연산을 하면 컴파일 시 자동으로 StringBuilder 객체의 append 메서드를 사용하도록 변환한다.

for (int i = 1; i <= 1000; i++) {
    temp += i;
}

// 컴파일 시
for (int i = 1; i <= 1000; i++) {
    temp = (new StringBuilder(temp)).append(i).toString();
}

하지만 반복적인 작업 전에 미리 StringBuilder 객체를 생성하지 않았다면, 컴파일시 자동으로 StringBuilder 객체로 변환 되어도
+ 연산을 반복한 만큼 자동으로 변환되었던 StringBuilder 객체가 버려진다.
결론적으로 버려진 StringBuilder 객체들이 GC의 대상이 되고 메모리와 성능에 영향을 미치는 사실은 변함없다.

StringBuilder vs StringBuffer

다시 한번 말하지만 StringBuilder와 StringBuffer가 제공하는 기능은 같다.
그렇다면 두 객체의 차이는 뭘까?

바로 synchronized 키워드를 사용한 동기화 여부에 있다.

// StringBuffer의 append 메서드 
@Override
public synchronized StringBuffer append(String str) {
    toStringCache = null;
    super.append(str);
    return this;
}

// StringBuilder의 append 메서드
@Override
public StringBuilder append(String str) {
    super.append(str);
    return this;
}

StringBuffer 객체는 거의 모든 메서드를 synchronized를 사용해서 동기화하기 때문에 멀티 스레드 환경에서 안전하게 사용할 수 있다. 반대로 StringBuilder는 동기화하지 않기 때문에 멀티 스레드 환경에서 안전하지 못하다.

‘그럼 안전한 StringBuffer만 사용하면 되겠네?‘라고 생각할 수 있다.

하지만 그렇지 않다. synchronized를 사용한 동기화는 lock을 걸고 푸는 오버헤드가 있어서 속도가 느리다. 즉 StringBuilder가 StringBuffer보다 빠르다.

자바 성능 튜닝 이야기에서 JDK 5.0 버전으로 String, StringBuilder, StringBuffer의 메모리와 속도를 실험한 좋은 예제가 있다.

String, StringBuilder, StringBuffer 각각의 객체가 문자열 더하는 라인을 100만 번씩 실행한 결과는 다음과 같다.
속도는 String을 기준으로 StringBuffer가 약 367배 빠르고, StringBuilder는 약 512배 빠르다.
메모리는 StringBuffer와 StringBuilder가 똑같이 사용하고 String은 약 3,390배 더 사용한다.
- 이상민, 자바 성능 튜닝 이야기, 인사이트(2013), p52

정리

String + 연산은 문자열을 반복적으로 더하지 않을 경우에만 사용하자. 컴파일 시 자동으로 StringBuilder로 변환된다.

StringBuffer는 다음과 같은 경우에 사용하자.

1. 멀티 스레드 환경에서 안전한 프로그램이 필요할 때
2. static으로 선언된 문자열을 변경할 때
3. singleton으로 선언된 클래스의 문자열을 변경할 때

StringBuilder는 다음과 같은 경우에 사용하자.

1. 스레드에 안전한지의 여부와 전혀 관계없는 프로그램을 개발할 때
2. 메서드 내에서 지역 변수로 StringBuilder를 사용할 때

언제나 그렇듯 정답은 존재하지 않는다. 상황에 맞는 최선의 구현을 하면 된다.

참고 자료

• 자바 성능 튜닝 이야기
• Why String is Immutable in Java?