[item17] 변경 가능성을 최소화하라

불변클래스란?

인스턴스의 내부 값을 수정할 수 없는 클래스

맥락상 클래스 상속이 불가능 final class를 말하는것 같지만, 그보다 더 상위의 개념이다.

final 클래스는 불변클래스 구현 방식 중 하나이다.

불변 클래스의 예

String, 기본 타입의 박싱 클래스, BigInteger, BigDecimal

item11의 PhoneNumber 클래스도 불변이다.

장점

1. 단순하다
   1. 생성된 시점의 상태를 파괴될 때까지 그대로 간직하므로, 내부 객체에 뭐가 들었을지 명확히 알 수 있다.
   2. 가변 객체는 임의의 복잡한 상태에 놓일 수 있어, 변경자 메서드가 일으키는 상태 전이를 정밀하게 문서로 남겨놓지 않으면 믿고 사용하기 어렵다.
2. 스레드 안전하여 따로 동기화할 필요가 없다.
   1. 여러 스레드가 동시에 사용해도 절대 훼손되지 않으니, 안심하고 공유할 수 있다. 따라서 불변 클래스는 한 번 만든 인스턴스를 최대한 재활용하기를 권한다. 가장 쉬운 예는 값을 상수(public static final)로 제공하는 것이다.
   2. 방어적 복사도 필요 없다.
3. 불변 객체끼리 내부 데이터를 공유할 수 있다.
   1. BigInteger 클래스 내부에서 값의 부호와 크기를 따로 표현한다. 부호는 int 변수를, 크기는 int 배열을 사용한다. 해당 클래스 내부의 negate 메서드는 크기가 같고 부호만 반대인 새로운 BigInteger를 생성하는데 이 때 원본 인스턴스의 int 배열을 공유한다.
4. 객체를 만들 때 다른 불변 객체들을 구성요소로 사용하면 불변식을 유지하기 수월하다.
   1. 불변 객체는 맵의 키와 집합(Set)의 원소로 쓰기 안성맞춤이다. 맵이나 집합은 안에 담긴 값이 바뀌면 불변식이 허물어지는데, 불변 객체를 사용하면 그럴 일이 없다.

단점

1. 값이 다르면 반드시 독립된 객체로 만들어야 한다.
   1. 값의 가짓수가 많으면 이들을 모두 만드는데 시간, 공간적으로 큰 비용을 치러야 한다.
   2. 대처법으로는 흔히 쓰일 다단계 연산들을 예측하여 기본 기능으로 제공하는 방법을 사용하면 되는데, 1) 클라이언트가 원하는 복잡한 연산을 정확히 예측할 수 있다면 package-private의 가변 동반 클래스로 충분하고, 2) 그렇지 않다면 public으로 클래스를 제공해야 한다.

final 키워드

클래스 앞에서 해당 클래스의 상속을 막는다.

메서드 앞에서 해당 메서드의 오버라이딩, 즉 자식클래스에서 재정의하는 것을 막는다.

불변 클래스를 만드는 규칙 - P/F 컴변상

1. 객체의 상태를 변경하는 메서드(변경자)를 제공하지 않는다
2. 상속 불가능하게 만든다
   • 상속받아 좋지 않은 의도로 메서드를 변경하는 것을 막는다.
   • 간단하게는 final 클래스를 선언하는 방법이 있다.
   • 좀더 유연한 방법으로는 모든 생성자를 private 혹은 package-private로 만들고 public 정적 팩터리를 제공한다. (정적 팩터리?)
3. 모든 필드를 final로 선언한다
4. 모든 필드를 private로 선언한다.
   • public final을 사용해도 되지만, 그렇게 되면 내부 표현을 바꿀 수 없게 되므로, private를 사용
5. 자신 외에는 내부의 가변 컴포넌트에 접근할 수 없도록 한다.
   • 컴포넌트란?
   • 각각 독립적으로 기능하는 모듈
   • 컴포넌트 내부가 드러나선 안되고, 까보려 해서도 안됨
   • 다만, 해당 컴포넌트를 사용하게 해주는 '장치'는 필요하다.
   • 하드웨어 쪽에서 스마트폰에 배터리가 못쓰게 되면 다른 걸로 갈아낄 수 있음
   • 단, 배터리는 스마트폰 단자와 배터리 단자와 맞물려야 사용가능한데, 이 때 배터리 단자가 '장치'에 해당한다.
   • OOP의 class 개념과는 다르다. 컴포넌트의 정의만 충족한다면 하나의 컴포넌트 안에 클래스가 여러개 들어갈 수도 있다.

불변클래스의 다른 예

public final class Complex { // 2. 상속 불가능
    private final double re;
    private final double im; // 3,4. 모든 필드를 private final 선언
		// 1. 변경자 메서드 없음
    public Complex(double re, double im) {
        this.re = re;
        this.im = im;
    }
    public double realPart() { return re; }
    public double imaginaryPart() { return im; }
    public Complex plus(Complex c) {
        return new Complex(re + c.re, im + c.im);
    }
    public Complex minus(Complex c) {
        return new Complex(re - c.re, im - c.im);
    }
    public Complex times(Complex c) {
        return new Complex(re * c.re - im * c.im,
                           re * c.im + im * c.re);
    }
    public Complex dividedBy(Complex c) {
        double tmp = c.re * c.re + c.im * c.im;
        return new Complex((re * c.re + im * c.im) / tmp,
                           (im * c.re - re * c.im) / tmp);
    }
    @Override public boolean equals(Object o) {
        if (o == this)
            return true;
        if (!(o instanceof Complex))
            return false;
        Complex c = (Complex) o;
        return Double.compare(c.re, re) == 0
               && Double.compare(c.im, im) == 0;
    }
    @Override public int hashCode() {
        return 31 * Double.hashCode(re) + Double.hashCode(im);
    }
    @Override public String toString() {
        return "(" + re + " + " + im + "i)";
    }
}

• 위 클래스는 복소수(실수부 허수부)를 표현한다. Object 메서드를 재정의했고, 실수부 허수부 값을 반환하는 접근자 메서드와 사칙연산 메서드를 정의했다.

• 사칙연산 메서드들이 인스턴스 자신은 수정하지 않고 새로운 Complex 인스턴스를 만들어 반환하는 모습에 주목

• 이처럼 피연산자에 함수를 적용해 그 결과를 반환하지만, 피연산자 자체는 그대로인 프로그래밍 패턴을 함수형 프로그래밍 이라 한다.
  (위와 달리 절차적, 명령형 프로그래밍에서는 메서드에서 피연산자인 자신을 수정해 자신의 상태가 변한다.)

• 메서드 이름으로 동사(add) 대신 전치사(plus)를 사용한 점에도 주목하자. 이는 해당 메서드가 객체의 값을 변경하지 않는다는 사실을 강조하려는 의도. 참고로, 이 명명 규칙을 따르지 않은 BigInteger와 BigDecimal 클래스를 사람들이 잘못 사용해 오류가 발생하는 일이 자주 있다.

  BigDecimal test = new BigDecimal("1.111");
  
  // test1
  test.add(new BigDecimal("2.222"));
  System.out.println("test : " + test); // 1.111
  
  // test2
  test = test.add(new BigDecimal("2.222"));
  System.out.println("test : " + test); // 3.333
  

• 동사 add 로 명명되어 있어, 마치 피연산자인 자신이 변경될 것 같지만, 그렇지 않다. add라는 이름보다는 plus가 더 어울리는 메서드이다.
  ( 그러나 이미 plus라는 다른 메서드가 존재하며, 다른 기능을 수행한다.)

왜 BigInteger가 불변일까?

• BigDecimal의 add메서드를 수행하면 1.111을 담은 객체가 변경되지 않습니다. 피연산자를 가지고 새로 BigInteger 객체를 생성하게 됩니다.

정리

• 클래스는 꼭 필요한 경우가 아니라면 불변이어야 한다.
• 불변 클래스는 장점이 많으며, 단점이라곤 특정 상황에서의 잠재적 성능 저하뿐이다.
• 만약 불변으로 만들 수 없는 클래스라도 변경할 수 있는 부분을 최소한으로 줄이자. 다른 합당한 이유가 없다면 모든 필드는 private final이어야 한다.
• 생성자는 불변식 설정이 모두 완료된, 초기화가 완벽히 끝난 상태의 객체를 생성해야 한다.