[JAVA] String Literal 과 String Pool

시작하며

개발을 하다보면 매우 빈번하게 String Class 를 사용한다. 하지만 다른 원시자료형처럼 리터럴 선언이 가능한지에 대해서는 고민해본적이 없었다. 해당 내용으로 조사를 시작한 결과 String Class 에 대한 흥미로운 사실들을 많이 알게 되었고 이를 정리해두려고 한다.

 

String Class 만이 리터럴 선언이 가능하게 된 이유

간단하게 말해서, 편리하기 때문이다. 다른 클래스처럼 매번 new 연산자를 통해 char 배열을 인자로 넣고 선언하게 된다면, 개발자들은 매번 String 자료형을 선언하기 위해 다음과 같은 선언문을 사용해야 할 것이다.

String hello = new String(new char[] { 'h', 'e', 'l', 'l', 'o' });

모든 문자열을 위와 같은 코드로 선언하는 것은 매우 소요가 심한 일이고, 따라서 자바에서는 String Class 는 특별하게 리터럴 선언이 가능하도록 디자인 되었다. 하지만 String Class가 특별한 취급을 받는 것은 선언방식 뿐일까? 그렇지 않다. 리터럴 선언 시 String Class 는 메모리 할당 측면에서도 신비한 일이 일어난다.

 

String Literal 선언 시 일어나는 일들

다음과 같은 문자열 데이터를 선언했다고 가정하자.

String strA = "hello";

방금 선언한 strA 는 어떤 메모리 영역에 저장될까? 우리가 일반적으로 자바에서 어떠한 참조형 객체 혹은 배열을 선언할 경우 해당 객체는 Heap 영역에 저장된다고 알고 있다.

참고 : Stack Memory and Heap Space in Java
https://www.baeldung.com/java-stack-heap

따라서 String 객체 또한 선언 시 Heap 영역에 저장 될 것 같지만 사실 JVM은 선언한 문자열을 String Pool 이라고 하는 특별한 영역에서 관리한다. 따라서 위에서 선언한 strA는 String Pool 이라고 하는 특수한 영역에 할당되어서 관리된다. String Pool 은 어떠한 영역이고, 왜 String 객체만 별도의 영역에서 관리하게 된 것일까?

 

String Pool

개발하고 있던 프로그램의 규모가 커져서 위에서 선언한 hello 라는 문자열을 곳곳에서 10만번 정도 추가로 사용해야 한다고 가정하자. 만약 String 객체를 Heap 영역에서 관리한다면 다음과 같이 할당 될 것이다.

문자열은 프로그램에서 매우 매우 빈번하게 사용되는 자료형이고, 내용이 완전히 동일한 문자열에 대해 다음과 같이 메모리를 할당한다면 엄청난 낭비라고 생각되지 않는가? 하지만 String 객체가 리터럴로 선언됨에 따라 String Pool 에 할당된다면 위의 상황은 다음과 같이 변하게 된다.

10만개의 변수가 hello 라고 하는 하나의 문자열을 각각 메모리 할당하는 것이 아닌 String Pool 에 할당하는 하나의 문자열을 참조하게 된다. 어떻게 이것이 가능할까? 만약 하나의 문자열 변수에서 hello 라고 하는 문자열의 내용을 변경하려 한다면 10만개의 변수에 저장된 데이터가 모두 변경되는것이 아닐까? 그 비결은 불변에 있다.

 

String Immutable

String Class 의 내부를 한번 살펴 보자.

문자열 배열을 할당받는 value 변수가 final 로 선언되어 있음을 알 수 있다. 한번 선언되고 절대 변경되지 않는다. 따라서 위에서 선언 한 10만개의 문자열 변수 중 다른 문자열을 새롭게 선언하거나, + 연산자를 통해 문자열을 변경하거나 하여도 처음 선언한 hello 문자열 객체의 값은 절대로 변경되지 않는다는 것이다. 그 외에도 String Class 가 불변일 때 보안, 동시성 등 추가적인 이점이 있지만 이는 추후에 별도로 정리하도록 하겠다.

 

Interning

문자열을 리터럴로 선언함으로써 String Pool 에 저장되고, 동일한 문자열을 참조한다는 것은 이해할 수 있었다. 그렇다면 리터럴로 선언하지 않을 때에는 어떨까? 다음과 같은 선언이 있다고 가정하자.

String strLiteral = "abc";
String strObject = new String("abc");

boolean equalityA = strLiteral == strObject;

equalityA 변수의 값은 어떻게 될까? 확인해보면 false 가 나오게 되는 것을 알 수있다. 객체 간 == 연산자는 두 객체가 같은 메모리를 가르키고 있는지 비교하므로 strLiteral 객체와 strObject 객체는 서로 다른 메모리를 참조하고 있음을 알 수 있다. 위에서 기술한 대로 두 String 객체가 모두 String Pool 에 존재한다면, 같은 메모리를 참조해야 하는데, 어째서 위와 같은 결과가 나타나게 됐을까. 한번 더 String Class 의 내부를 살펴보면, 다음과 같은 메서드를 발견할 수 있다.

해당 메서드의 디스크립션에서 모든 리터럴 문자열과 문자열 상수 표현식은 선언과 동시에 intern 처리 되는 것을 알 수 있다. 이는 heap 영역에 존재하는 문자열 객체를 내부적으로 String Pool 영역으로 옮기는 작업이라고 한다. 하지만 생성자를 통해 선언 된 String 문자열 객체는 이 intern 과정을 거치지 않으며 따라서 위에서 비교연산자를 통해 strLiteral 객체와 strObject 객체가 다른 주소값을 가르키고 있는 이유에 대해 알 수 있었다.

그렇다면 수동으로 intern 처리를 해준다면 같은 주소를 가리키게 되지 않을까 테스트 해보았다.

String strLiteral = "abc";
String strObject = new String("abc");

boolean equalityA = strLiteral == strObject; // false

String strInterned = strObject.intern();

boolean equalityB = strLiteral == strInterned; // true

equalityB의 결과로 true 가 반환됨에 따라 String 객체와 리터럴 선언간에 어떠한 내부적인 동작이 있었는지 알아볼 수 있었다.

 

마치며

String Class 는 사실 개발을 공부하면서 불변이라는 점, 특별하게 관리된다는 점 등 여러 특수성이 있다고 배우게 되는 자료형이다. 하지만 왜 이러한 특성을 갖게 되었는지, 내부적으로 어떠한 동작이 있는지 추상적인 레벨에서라도 한번 쯤 정리해두는 것이 좋을 것 같았다. 나중에 기회가 된다면 불변성에 대해도 추가로 정리해보고자 한다.

 

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참고한 내용 :

Guide to Java String Pool | Baeldung

Java String 의 메모리에 대한 고찰

String Initialization in Java | Baeldung