김영한의 실전 자바 - 자바 중급 1편: 4. 래퍼, Class 클래스

1. 래퍼 클래스 - 기본형의 한계1

기본형의 한계

자바는 객체 지향 언어이다. 그런데 자바 안에 객체가 아닌 것이 있다.
바로 int, double 같은 기본형(Primitive Type)이다. 기본형은 객체가 아니기 때문에 다음과 같은 한계가 있다.

• 객체가 아님: 기본형 데이터는 객체가 아니기 때문에, 객체 지향 프로그래밍의 장점을 살릴 수 없다. 예를 들어 객체는 유용한 메서드를 제공할 수 있는데, 기본형은 객체가 아니므로 메서드를 제공할 수 없다.
• 추가적으로, 객체 참조가 필요한 컬렉션 프레임워크를 사용할 수 없다. 그리고 제네릭도 사용할 수 없다. (이 부분은 뒤에서 설명한다.)
• null 값을 가질 수 없음: 기본형 데이터 타입은 null 값을 가질 수 없다. 때로는 데이터가 없음이라는 상태를 나타내야 할 필요가 있는데, 기본형은 항상 값을 가지기 때문에 이런 표현을 할 수 없다.

기본형의 한계를 이해하기 위해, 두 값을 비교해서 다음과 같은 결과를 출력하는 간단한 코드를 작성해보자.

• 왼쪽의 값이 더 작다: -1
• 두 값이 같다: 0
• 왼쪽의 값이 더 크다: 1

public class PrimitiveLimit {
    public static void main(String[] args) {
        int value = 10;
        int i1 = compareTo(value, 5);
        int i2 = compareTo(value, 10);
        int i3 = compareTo(value, 20);
        System.out.println("i1 = " + i1);
        System.out.println("i2 = " + i2);
        System.out.println("i3 = " + i3);

    }

    // compareTo()라는 외부 메서드
    public static int compareTo(int value, int target) {

        if (value < target) {
            return -1;
        } else if (value > target) {
            return 1;
        } else {
            return 0; }
    }
}

실행 결과

i1 = 1
i2 = 0
i3 = -1

여기서는 value와 비교 대상 값을 compareTo()라는 외부 메서드를 사용해서 비교한다. 그런데 자기 자신인 value와 다른 값을 연산하는 것이기 때문에 항상 자기 자신의 값인 value가 사용된다. 이런 경우 만약 value가 객체라면 value 객체 스스로 자기 자신과 값이 다른 값을 비교하는 메서드를 만드는 것이 더 유용할 것이다.

 

2. 직접 만든 래퍼 클래스

int를 클래스로 만들어보자. int는 클래스가 아니지만, int 값을 가지고 클래스를 만들면 된다. 다음 코드는 마치 int를 클래스로 감싸서 만드는 것 처럼 보인다. 이렇게 특정 기본형을 감싸서(Wrap) 만드는 클래스를 래퍼 클래스(Wrapper Class)라 한다.

public class MyInteger {
    private final int value;

    public MyInteger(int value) {
        this.value = value;
    } 

    public int getValue() {
        return value;
    }

    // 자기 자신의 값과 외부 값을 비교
    // MyInteger 객체에서 메서드를 편리하게 호출
    // 참고로 int는 기본형이기 때문에 메서드를 가질 수 없다.
    public int compareTo(int target) {
        if (value > target) {
            return 1;
        } else if (value < target) {
            return -1;
        } else {
            return 0;
        }
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "MyInteger{" +
                "value=" + value +
                '}';
    }
}

• MyInteger는 int value라는 단순한 기본형 변수를 하나 가지고 있다.
• 그리고 이 기본형 변수를 편리하게 사용하도록 다양한 메서드를 제공한다.
• 앞에서 본 compareTo() 메서드를 클래스 내부로 캡슐화 했다.
• 이 클래스는 불변으로 설계했다.

MyInteger 클래스는 단순한 데이터 조각인 int를 내부에 품고, 메서드를 통해 다양한 기능을 추가했다. 덕분에 데이터 조각에 불과한 int를 MyInteger를 통해 객체로 다룰 수 있게 되었다.

package lang.wrapper;

public class MyIntegerMethodMain1 {
    public static void main(Stirng[] args) {
        MyInteger = new MyInteger(10);

        int i1 = myInteger.comapreTo(5);
        int i2 = myInteger. compareTo(10);
        int i3 = myInteger. compareTo(20);
        System.out.println("i1 = " + i1);
        System.out.println("i2 = " + i2);
        System.out.println("i3 = " + i3);
    }
}

실행 결과

i1 = 1
i2 = 0
i3 = -1

• myInteger.compareTo()는 자기 자신의 값을 외부의 값과 비교한다.
• MyInteger는 객체이므로 자신이 가진 메서드를 편리하게 호출할 수 있다.
• 참고로 int는 기본형이기 때문에 스스로 메서드를 가질 수 없다.

 

3. 래퍼 클래스 - 기본형의 한계2

기본형과 null

기본형은 항상 값을 가져야 한다. 하지만 때로는 데이터가 "없음"이라는 상태가 필요할 수 있다. 다음 코드를 작성해보자.

package lang.wrapper;

public class MyIntegerNullMain0 {
    public static void main(String[] args) {
        int[] intArr = {-1, 0, 1, 2, 3};
        System.out.println(findValue(intArr, -1)); // -1
        System.out.println(findValue(intArr, 0)); 
        System.out.println(findValue(intArr, 1)); 
        System.out.println(findValue(intArr, 100)); // -1
    }

    private static int findValue(int[] intArr, int target) {
        for(int value: intArr) {
            if(value == target) {
                return value;
            }
        }
        return -1;
    }
}

• findValue()는 배열에 찾는 값이 있으면 해당 값을 반환하고, 찾는 값이 없으면 -1을 반환한다.
• findValue()는 결과로 int를 반환한다. int와 같은 기본형은 항상 값이 있어야 한다. 여기서도 값을 반환할 때 값을 찾지 못하면 숫자 중에 하나를 반환해야 하는데 보통 -1 또는 0을 사용한다.

실행 결과

-1
0
1
-1

실행 결과를 보면 입력값이 -1일 때 -1을 반환한다. 그런데 배열에 없는 값인 100을 입력해도 같은 -1을 반환한다. 입력갑이 -1일 때를 생각해보면, 배열에 -1 값이 있어서 -1을 반환한 것인지, 아니면 -1 값이 없어서 -1을 반환한 것인지 명확하지 않다.

객체의 경우 데이터가 없다는 null이라는 명확한 값이 존재한다. 다음 코드를 작성해보자.

package lang.wrapper;

public class MyIntegerNullMain1 {
    public static void main(String[] args) {
        MyInteger[] intArr = {new MyInteger(-1), new MyInteger(0), new MyInteger(1)};
        System.out.println(findValue(intArr, -1));
        System.out.println(findValue(intArr, 0));
        System.out.println(findValue(intArr, 1));
        System.out.println(findValue(intArr, 100));

        private static MyInteger findValue(MyInteger[] intArr, int target) {
            for(MyInteger myInteger : intArr) {
                if (myInteger.getValue() == target) {
                    return myInteger;
                }
            }
        }
        return null;
    }
}

실행 결과

-1
0
1
null

• 앞서 만든 MyInteger 래퍼 클래스를 사용했다.
• 실행 결과를 보면 -1을 입력했을 때는 -1을 반환한다.
• 100을 입력했을 때는 값이 없다는 null을 반환한다.

기본형은 항상 값이 존재해야 한다. 숫자의 경우 0, -1 같은 값이라도 항상 존재해야 한다. 반면에 객체인 참조형은 값이 없다는 null을 사용할 수 있다. 물론 null 값을 반환하는 경우 잘못하면 NullPointerException이 발생할 수 있기 때문에 주의해서 사용해야 한다.

 

4. 래퍼 클래스 - 자바 래퍼 클래스

지금까지 설명한 래퍼 클래스는 기본형을 객체로 감싸서 더 편리하게 사용하도록 도와주기 때문에 상당히 유용하다. 쉽게 이야기해서 래퍼 클래스는 기본형의 객체 버전이다. 자바는 기본형에 대응하는 래퍼 클래스를 기본으로 제공한다.

• byte ⮕ Byte
• short ⮕ Short
• int ⮕ Integer
• long ⮕ Long
• float ⮕ Float
• double ⮕ Double
• char ⮕ Character
• boolean ⮕ Boolean

그리고 자바가 제공하는 기본 래퍼 클래스는 다음과 같은 특징을 가지고 있다.

1. 불변 객체이다.
2. equals로 비교해야 한다.

자바가 제공하는 래퍼 클래스의 사용법을 알아보자.

package lang.wrapper;

public class WrapperClassMain {
    public static void main(String[] args) {
        Integer newInteger = new Integer(10); // 미래에 삭제 예정. 대신에 valueOf() 사용
        Integer integerObj = Integer.valueOf(10); // -128 ~ 127 자주 사용하는 숫자 값 재사용, 불변
        Long longObj = Long.valueOf(100);
        Double doubleObj = Double.valueOf(10.5);

        System.out.println("newIntger = " + newInteger);
        System.out.println("integerObj = " + integerObj);
        System.out.println("longObj " + longObj);
        System.out.println("doubleObj" + doubleObj);

        System.out.println("내부 값 읽기");
        int intValue = integerObj.intValue();
        System.out.println("intValue = " + intValue);
        long longValue = longObj.longValue();
        System.out.println("longObj = " + longValue);

        System.out.println("비교");
        System.out.println("==: " + (newInteger == integerObj));
        System.out.println("equals: " + newInteger.equals(integerObj));
    }
}

실행 결과

newInteger = 10
integerObj = 10
longObj = 100
doubleObj = 10.5

내부 값 읽기
intValue = 10
longObj = 100

비교
==: false
equals: true

래퍼 클래스 생성 - 박싱(Boxing)

• 기본형을 래퍼 클래스로 변경하는 것을 마치 박스에 물건을 넣은 것 같다고 해서 박싱(Boxing)이라 한다.
• new Integer(10)은 직접 사용하면 안된다. 작동은 되지만, 향후 자바에서 제거될 예정이다.내부에서 new Integer(10)을 사용해서 객체를 생성하고 돌려준다.
• 대신에 Integer.valueOf(10)를 사용하면 된다.
• 추가로 Integer.valueOf(10)에는 성능 최적화 기능이 있다. 개발자들이 일반적으로 자주 사용하는 -128 ~ 127 범위의 Integer 클래스를 미리 생성해준다. 해당 범위의 값을 조회하면 미리 생성된 Integer 객체를 반환한다. 해당 범위의 값이 없으면 new Integer()를 호출한다.
  • 마치 문자열 풀과 비슷하게 자주 사용하는 숫자를 미리 생성해두고 재사용한다.
  • 참고로 이런 최적화 방식은 미래에 더 나은 방식으로 변경될 수 있다.

intValue() - 언박싱(Unboxing)

• 래퍼 클래스에 들어있는 기본형 값을 다시 꺼내는 메서드이다.
• 박스에 들어있는 물건을 꺼내는 것 같다고 해서 언박싱(Unboxing)이라 한다.

비교는 equals() 사용

• 래퍼 클래스는 객체이기 때문에 == 비교를 하면 인스턴스의 참조값을 비교한다.
• 래퍼 클래스는 내부의 값을 비교하도록 equals()를 재정의 해두었다. 따라서 값을 비교하려면 equals()를 사용해야 한다.

참고로 래퍼 클래스는 객체를 그대로 출력해도 내부에 있는 값을 문자로 출력하도록 toString()을 재정의했다.

 

5. 래퍼 클래스 - 오토 박싱

오토 박싱 - Autoboxing

자바에서 int를 Integer로 변환하거나, Integer를 int로 변환하는 부분을 정리해보자.
다음과 같이 valueOf(), intValue() 메서드를 사용하면 된다.

package lang.wrapper;

public class AutoboxingMain1 {
    public static void main(String[] args) {
        // Primitive -> Wrapper
        int value = 7;
        Integer boxedValue = Integer.valueOf(value);

        // Wrapper -> Primitive
        int unboxedValue = boxedValue.intValue();

        System.out.println("boxedValue = " + boxedValue);
        System.out.println("unboxedValue = " + unboxedValue);
    }
}

실행 결과

boxedValue = 7
unboxedValue = 7

• 박싱: valueOf()
• 언박싱: xxxValue() (예: intValue(), doubleValue())

개발자들이 오랜기간 개발을 하다 보니 기본형을 래퍼 클래스로 변환하거나 또는 래퍼 클래스를 기본형으로 변환하는 일이 자주 발생했다. 그래서 많은 개발자들이 불편함을 호소했다. 자바는 이런 문제를 해결하기 위해 자바 1.5부터 오토 박싱(Auto-boxing), 오토 언박싱(Auto-Unboxing)을 지원한다.

 

오토 박싱, 오토 언박싱

package lang.wrapper;

public class AutoboxingMain2 {
    public static void main(String[] args) {
        // Primitive -> Wrapper
        int value = 7;
        Integer boxedValue = value; // 오토 박싱(Auto-boxing)

        // Wrapper -> Primitive
        int unboxedValue = boxedValue;

        System.out.println("boxedValue = " + boxedValue);
        System.out.println("unboxedValue = " + unboxedValue);
    }
}

실행 결과

boxedValue = 7
unboxedValue = 7

오토 박싱과 오토 언박싱은 컴파일러가 개발자 대신 valueOf(), xxxValue() 등의 코드를 추가해주는 기능이다. 덕분에 기본형과 래퍼형을 서로 편리하게 변환할 수 있다. 따라서 AutoboxingMain1과 AutoboxingMain2는 동일하게 작동한다.

Integer boxedValue = value; // 오토 박싱(Auto-boxing)
Integer boxedValue = Integer.valueOf(value); // 컴파일 단계에서 추가

int unnboxedValue = boxedValue; // 오토 언박싱(Auto-Unboxing)
int unboxedValue = boxedValue.intValue(); // 컴파일 단계에서 추가

 

6. 래퍼 클래스 - 주요 메서드와 기능

래퍼 클래스 - 주요 메서드

래퍼 클래스가 제공하는 주요 메서드를 알아보자.

package lang.wrapper;

public class WrapperUtilMain {
    public static void main(String[] args) {
        Integer i1 = Integer.valueOf(10); // 숫자, 래퍼 객체 변환
        Integer i2 = Integer.valueOf("10"); // 문자열, 래퍼 객체 변환
        int intValue = Integer.parseInt("10"); // 문자열 전용, 기본형 반환

        // 비교
        int compareResult = i1.compareTo(20);
        System.out.println("compareResult = " + compareResult);

        // 산술 연산
        System.out.println("sum = " + Integer.sum(10, 20));
        System.out.println("min = " + Integer.min(10, 20));
        System.out.println("max = " + Integer.max(10, 20));       
    }
}

실행 결과

compareResult = -1
sum: 30
min: 10
max: 20

• valueOf(): 래퍼 타입을 반환한다. 숫자, 문자열 모두 지원한다.
• parseInt(): 문자열을 기본형으로 변환한다.
• compareTo(): 내 값과 인수로 넘어온 값을 비교한다. 내 값이 크면 1, 같으면 0, 내 값이 작으면 -1을 반환한다.
• Integer.sum(), Integer.min(), Integer.max(): static 메서드이다. 간단한 덧셈, 작은 값, 큰 값 연산을 수행한다.

parseInt() vs valueOf()

원하는 타입에 맞는 메서드를 사용하면 된다.

• valueOf("10")는 래퍼 타입을 반환한다.
• parseInt("10")는 기본형을 반환한다.
  • Long.parseLong()처럼 각 타입에 parseXxx())가 존재한다.

래퍼 클래스와 성능

래퍼 클래스는 객체이기 때문에 기본형보다 다양한 기능을 제공한다. 그렇다면 더 좋은 래퍼 클래스만 제공하면 되지 기본형을 제공하는 이유는 무엇일까? 다음 코드를 실행해서 기본형과, 래퍼 클래스의 성능 차이를 비교해보자.

package lang.wrapper;

public class WrapperVsPrimitive {
    public static void main(String[] args) {
        int iterations = 1_000_000_000; // 반복 횟수 설정, 10억
        long startTime, endTime;

        // 기본 long 사용
        long sumPrimitive = 0;
        startTime = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < iterations; i++) {
            sumPrimitive += 1;
        }
        endTime = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("sumPrimitive = " + sumPrimitive);
        System.out.println("기본 자료형 long 실행 시간: " + (endTime - startTime) + "ms");

        // 래퍼 클래스 Long 사용
        Long sumWrapper = 0L;
        startTime = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < iterations; i++) {
            sumWrapper += i; // 오토 박싱 발생
        }
        endTime = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("sumWrapper = " + sumWrapper);
        System.out.println("래퍼 클래스 Long 실행 시간: " + (endTime - startTime) + "ms");
    }
}

• 단순히 값을 반복해서 10억 번 더한다.
• 기본형 long에 더하는 것과 래퍼 클래스 Long에 더하는 부분으로 나누어 테스트한다. 결과 값은 같다.

실행 결과 - M2 맥북 기준

sumPrimitive = 499999999500000000
기본 자료형 long 실행 시간: 318ms
sumWrapper = 499999999500000000
래퍼 클래스 Long 실행 시간: 1454ms

• 기본형 연산이 래퍼 클래스보다 대략 5배 정도 빠른 것을 확인할 수 있다. 참고로 계산 결과는 시스템마다 다르다.
• 기본형은 메모리에서 단순히 그 크기만큼 공간을 차지한다. 예를 들어 int는 보통 4바이트의 메모리를 사용한다.
• 래퍼 클래스의 인스턴스는 내부에 필드로 가지고 있는 기본형의 값 뿐만 아니라 자바에서 객체를 다루는데 필요한 객체 메타데이터를 포함하므로 더 많은 메모리를 사용한다. 자바 버전과 시스템마다 다르지만 대략 8~16바이트의 메모리를 추가로 사용한다.

기본형, 래퍼 클래스 어떤 것을 사용?

• 이 연산은 10억 번의 연산을 수행했을 때 0.3초, 1.5초의 차이다.
• 기본형이든 래퍼 클래스든 이것을 1회로 환산하면 둘다 매우 빠르게 연산이 수행된다.
  • 0.3초 나누기 10억, 1.5초 나누기 10억이다.
• 일반적인 애플리케이션을 만드는 관점에서 보면 이런 부분을 최적화해도 사막의 모래알 하나 정도의 차이가 날뿐이다.
• CPU 연산을 아주 많이 수행하는 특수한 경우이거나, 수만 ~ 수십만 이상 연속해서 연산을 수행해야 하는 경우라면 기본형을 사용해서 최적화를 고려하자.
• 그렇지 않은 일반적인 경우라면 코드를 유지보수하기 더 나은 것을 선택하면 된다.

유지보수 vs 최적화

유지보수 vs 최적화를 고려해야 하는 상황이라면 유지보수하기 좋은 코드를 먼저 고민해야 한다. 특히 최신 컴퓨터는 매우 빠르기 때문에 메모리 상에서 발생하는 연산을 몇 번 줄인다고해도 실질적인 도움이 되지 않는 경우가 많다.

• 코드 변경 없이 성능 최적화를 하면 가장 좋겠지만, 성능 최적화는 대부분 단순함 보다는 복잡함을 요구하고, 더 많은 코드들을 추가로 만들어야 한다. 최적화를 위해 유지보수 해야 하는 코드가 더 늘어나는 것이다. 그런데 진짜 문제는 최적화를 한다고 했지만 전체 애플리케이션의 성능 관점에서 보면 불필요한 최적화를 할 가능성이 있다.
• 특히 웹 애플리케이션의 경우 메모리 안에서 발생하는 연산 하나보다 네트워크 호출 한 번이 많게는 수십만배 더 오래 걸린다. 자바 메모리 내부에서 발생하는 연산을 수천번에서 한 번으로 줄이는 것 보다, 네트워크 호출 한 번을 더 줄이는 것이 더 효과적인 경우가 많다.
• 권장하는 방법은 개발 이후에 성능 테스트를 해보고 정말 문제가 되는 부분을 찾아서 최적화 하는 것이다.

7. Class 클래스

자바에서 Class 클래스는 클래스의 정보(메타데이터)를 다루는데 사용된다.

Class 클래스를 통해 개발자는 실행 중인 자바 애플리케이션 내에서 필요한 클래스의 속성과 메서드에 대한 정보를 조회하고 조작할 수 있다. Class 클래스의 주요 기능은 다음과 같다.

• 타입 정보 얻기: 클래스의 이름, 슈퍼클래스, 인터페이스, 접근 제한자 등과 같은 정보를 조회할 수 있다.
• 리플렉션: 클래스에 정의된 메서드, 필드, 생성자 등을 조회하고, 이들을 통해 객체 인스턴스를 생성하거나 메서드를 호출하는 등의 작업을 할 수 있다.
• 동적 로딩과 생성: Class.forName() 메서드를 사용하여 클래스를 동적으로 로드하고, newInstance() 메서드를 통해 새로운 인스턴스를 생성할 수 있다.
• 애노테이션 처리: 클래스에 적용된 애노테이션(annotation)을 조회하고 처리하는 기능을 제공한다.

예를 들어, String.class는 String 클래스에 대한 Class 객체를 나타내며, 이를 통해 String 클래스에 대한 메타데이터를 조회하거나 조작할 수 있다. 다음 코드를 실행해보자.

package lang.clazz;

import java.lang.reflect.Field;
import java.lang.reflect.Method;

public class ClassMetaMain {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // Class 조회
        Class clazz = String.class; // 1. 클래스에서 조회
        // Class clazz = new String.getClass(); // 2. 인스턴스에서 조회
        // Class clazz = Class.forName("java.lang.String"); // 3. 문자열로 조회

        // 모든 필드 출력
        Field[] fields = clazz.getDeclaredFields();
        for (Field field: fields) {
            System.out.println("Field: " + field.getType() + " " + field.getName());
        }

        // 모든 메서드 출력
        Method[] methods = clazz.getDeclaredMethods();
        for(Method method: methods) {
            System.out.println("Method: " + method);
        }

        // 상위 클래스 정보 출력
        System.out.println("Superclass: " + clazz.getSuperclass().getName());

        // 인터페이스 정보 출력
        Class[] interfaces = clazz.getInterfaces();
        for (Class i: interfaces) {
            System.out.println("Interface: " + i.getName());
        }
    }
}

 

class vs clazz - class는 자바의 예약어다. 따라서 패키지명, 변수명으로 사용할 수 없다.

이런 이유로 자바 개발자들은 class 대신 clazz라는 이름을 관행으로 사용한다. clazz는 class와 유사하게 들리고, 이 단어가 class를 의미한다는 것을 쉽게 알 수 있다.

 

주의!

main() 옆에 throws Exception이 추가된 부분에 주의하자.
이 코드가 없으면 컴파일 오류가 발생한다. 자세한 내용은 예외 처리에서 학습한다.

 

실행 결과

Field: class [B value
 ...
 Method: public boolean java.lang.String.equals(java.lang.Object)
 Method: public int java.lang.String.length()
 ...
 Superclass: java.lang.Object
 Interface: java.io.Serializable
 Interface: java.lang.Comparable
 ...