[Java] String Literal 과 String Pool

시작하며

String Class 는 Java Language 사용 시 상당히 자주 사용하게 되는 클래스 입니다. 하지만 다른 클래스들과는 다르게 원시자료형처럼 선언이 가능하죠. 이러한 부분에 대해 왜 Java 의 문자열 클래스는 특별한지, 그리고 어떻게 특별한지 조사해보았습니다.

String Class 만이 리터럴 선언이 가능하게 된 이유

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

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 되었습니다. 하지만 String Class가 특별한 취급을 받는 것은 선언방식 뿐일까요? 그렇지 않습니다. 리터럴 선언 시 String Class 는 메모리 할당 방식도 조금 특이합니다.

String Literal 선언 시 일어나는 일들

다음과 같은 문자열 데이터를 선언했다고 가정 해보겠습니다.

String strA = "hello";

방금 선언한 strA 는 어떤 메모리 영역에 저장될까요? 우리가 일반적으로 자바에서 어떠한 참조형 객체 혹은 배열을 선언할 경우 선언된 객체는 Heap 영역에 저장된다고 알고 있습니다.

참고 : Stack Memory and Heap Space in Java

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

String Pool

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

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

10만개의 변수가 hello 라고 하는 하나의 문자열을 각각 메모리 할당하는 것이 아닌 String Pool 에 할당하는 하나의 문자열을 참조하게 됩니다. 어떻게 이것이 가능할까요? 그럼 반대로 만약 하나의 문자열 변수에서 hello 라고 하는 문자열의 내용을 변경하려 한다면 10만개의 변수에 저장된 데이터가 모두 변경되는것이 아닐까요? 그 비결은 바로 String Class 의 특수성 중 하나인 불변(Immutable) 에 있습니다.

String Immutable

String Class 의 내부를 한번 살펴 보겠습니다.

문자열 배열을 할당받는 value 변수가 final 로 선언되어 있음을 알 수 있죠. 한번 선언되고 절대 변경되지 않는다는 뜻입니다. 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 것이죠.

Interning

문자열을 리터럴로 선언함으로써 String Pool 에 저장되고, 동일한 문자열을 참조한다는 것은 이해할 수 있었습니다. 그렇다면 리터럴로 선언하지 않을 때에는 어떨까요? 다음과 같은 선언이 있다고 가정해봅시다.

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

    boolean equalityA = strLiteral == strObject;

equalityA 변수의 값은 어떻게 될까요?

확인해보면 false 가 나오게 되는 것을 알 수있습니다.

객체 간 동일성 연산자(== )는 두 객체가 같은 메모리 공간을 참조하고 있는지 비교하므로 strLiteral 객체와 strObject 객체는 서로 다른 메모리를 참조하고 있음을 알 수 있습니다. 위에서 기술한 대로 두 String 객체가 모두 String Pool 에 존재한다면, 같은 메모리를 참조해야 하는데, 어째서 위와 같은 결과가 나타나게 됐을까요.

한번 더 String Class 의 내부를 살펴보면, 다음과 같은 메서드를 발견할 수 있습니다.

해당 메서드의 디스크립션에서 모든 리터럴 문자열과 문자열 상수 표현식은 선언과 동시에 intern 처리 되는 것을 알 수 있습니다. 이는 heap 영역에 존재하는 문자열 객체를 내부적으로 String Pool 영역으로 옮기는 작업이라고 합니다. 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 있죠.

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

    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 있었습니다.

Refferences

• https://www.baeldung.com/java-string-pool
• https://medium.com/@joongwon/string-의-메모리에-대한-고찰-57af94cbb6bc
• https://www.baeldung.com/java-string-initialization