Java

자바 문자열(String)

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String

자바에서 문자를 다루는 대표적인 타입은 char와 String 이렇게 2가지가 있다. 기본형인 char는 문자 하나를 다루는데 사용되고, char를 사용해서 여러 문자 즉 문자열을 다루기 위해선 char[]을 사용해야 한다. 하지만 이렇게 char[]을 사용하면 문자열을 다루는데 불편함이 있어서 자바에서는 String이라는 클래스를 제공한다.

String 내부 구조

String 클래스는 대략 다음과 같은 구조로 이루어져 있다.

public final class String
    implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence {
    
    private final char value[]; //자바 9이전
    private final byte value[];//자바 9이후
    private final int offset;
    
    private final int count;
    private int hash; // Default to 0
    
    public String concat(String str) {...}
    public int length() {...}
}

클래스이므로 필드와 메소드로 구성되어 있다.

필드(속성)

private final char value[];

String은 char형 배열을 필드로 가지고 있고, 여기에는 String이 가지고 있는 실제 문자열을 저장하는 배열이다. 이 말의 뜻은 문자 데이터 자체는 char형 배열에 저장되어 있고, String 객체는 이 배열을 참조하고 있다는 것이다. 그러면 char[]가 불편해서 String을 사용하는 거 아닌가? 근데 String도 결국 char[]를 참조하고 있으니 똑같은 거 아닌가? 라는 의문이 들 수 있다. 하지만 String 클래스는 char[]를 참조하고 있지만, 개발자가 직접 다루기 힘든 char[]를 내부에 숨겨놓고, String 클래스의 메소드를 통해 문자열을 다룰 수 있게 해준다.

참고 자바 9부터는 String 클래스 내부에 byte[]를 사용하는 방식으로 변경되었다. 자바에서 문자 하나를 표현하는데 char 타입을 사용하면 2byte가 필요하다. 여기서 영어, 숫자는 보통 1byte로 표현하고(정확히는 Latin-1 인코딩의 경우 1byte로 표현 가능), 그렇지 않은 다른 언어는 2byte인 UTF-16 인코딩으로 표현해야 한다. 때문에 char 타입을 사용하면 메모리 낭비가 발생할 수 있다. 그래서 자바 9부터는 byte[]를 사용하여 문자열을 저장하고, String 클래스의 메소드를 통해 byte[]를 char[]로 변환하여 사용함으로써 메모리를 더 효율적으로 사용할 수 있게 되었다.

String은 클래스

자바에서 String은 위에 보다시피 클래스로 int,char와 달리 기본형(Primitive Type) 변수가 아닌 참조형(Reference Type) 변수로 분류 된다. 참조형은 변수에 실제 값이 아닌 주소값을 가지고 있기에, 원칙적으로 +와 같은 연산을 할 수 없다. 자바에서 String은 클래스이지만, 문자열을 다루기 쉽게 하기 위해 +연산자를 사용할 수 있게 오버로딩 되어 있다.

String str1 = "Hello";
String str2 = "World";

String str3 = str1 + str2;

System.out.println(str3); // HelloWorld

또한 String는 참조형이므로 변수에 문자열을 대입하면 실제 문자열은 메모리의 힙(Heap) 영역에 생성되고, String 변수는 이 문자열을 참조하게 된다.

String은 불변(Immutable)

기본적으로 자바에서는 String의 값을 변경할 수 없다.

String의 내부 구조를 위에서 보여줬듯이 char[] 혹은 byte[]를 가지고 있지만, 이 배열은 final로 선언되어 있어서 한 번 생성되면 변경할 수 없다.

하지만 String의 값을 변경하는 것 처럼 보이는 연산을 할 수 있다.

String str = "Hello";

str = str + " World";

System.out.println(str); // Hello World

위의 코드를 보면 str 변수에 Hello라는 문자열을 대입하고, str 변수에 World라는 문자열을 더해서 다시 대입했다. 이렇게 보면 String의 값을 변경한 것 처럼 보이지만, 실제로는 새로운 문자열 데이터 객체를 생성하고, 이를 str 변수가 참조하게 된다.

즉, String은 불변(Immutable)하다는 것은 한 번 생성된 문자열은 변경할 수 없다는 것을 의미한다.

hashCode() 메소드를 이용해 실제로 변수가 가지고 있는 주소값을 찍어보면 알 수 있다.

hashCode() 메소드는 객체의 메모리 번지를 이용해서 해시코드를 만들어 리턴하는 메소드이다.

String str = "Hello";

System.out.println(str.hashCode()); // 69609650

str = str + " World";

System.out.println(str.hashCode()); // -862545276

똑같은 변수 str 의 해시코드(주소값)을 출력했음에도 가지고 있는 값이 바뀜에 따라 아예 주소값이 달라짐을 알 수 있다. 즉, 문자열 값 자체는 불변이라 변경할수 없기 때문에 새로운 문자열 데이터 객체를 대입하는 식으로 값을 대체 하기 때문에 이러한 현상이 생기는 것이다.

왜 불변으로 설계 되었는가?

이처럼 String이 불변적인 특성을 가지는 이유는 크게 3가지로 꼽을 수 있다. 첫번째는 JVM(자바 가싱 머신) 에서는 따로 String Constant Pool 이라는 독립적인 영역을 만들고 문자열들을 Constant 화 하여 다른 변수 혹은 객체들과 공유하게 되는데, 이 과정에서 데이터 캐싱이 일어나고 그 만큼 성능적 이득을 취할 수 있기 때문이다. 두번째는 데이터가 불변(immutable) 하다면 Multi-Thread 환경에서 동기화 문제가 발생하지 않기 때문에 더욱 safe 한 결과를 낼 수 있기 때문이다. 세번째는 보안(Security) 적인 측면을 들 수 있다. 예를 들어 데이터베이스 사용자 이름, 암호는 데이터베이스 연결을 수신하기 위해 문자열로 전달되는데, 만일 번지수의 문자열 값이 변경이 가능하다면 해커가 참조 값을 변경하여 애플리케이션에 보안 문제를 일으킬 수 있다.

불변인 String 클래스의 단점

하지만 불변(Immutable)한 String 클래스는 메모리 사용량이 많아지는 단점이 있다. 불변인 String 클래스는 문자열을 변경할 때마다 새로운 문자열 객체를 생성해야 한다는 점이다. 문자를 변경하는 상황이 자주 발생하는 상황이라면 String 객체를 만들고 GC가 빈번히 발생한다. 결과적으로 CPU와 메모리를 많이 사용하게 되어 성능에 영향을 미칠 수 있다. 그리고 문자열의 크기가 클수록, 문자열을 더 자주 변경할수록 이러한 단점이 더욱 부각된다.

이러한 단점을 보완하기 위해 StringBuffer와 StringBuilder 클래스가 존재한다. StringBuffer와 StringBuilder는 String과 달리 가변적인 특성을 가지고 있어 문자열을 변경할 때 새로운 객체를 생성하지 않고 기존 객체를 변경한다. 이러한 특성 때문에 문자열을 변경하는 작업이 많은 상황에서는 StringBuffer와 StringBuilder를 사용하는 것이 성능상 이점이 있다.

자세한 내용은 자바의 String, StringBuffer, StringBuilder 차이 알아보기를 참고하자.

String의 주소 할당 방식

String을 통해 문자열을 생성하는 방법은 대표적으로 두가지 방식이 있다.

  1. String Literal을 이용한 방식
  2. new String("")을 이용한 방식
String str1 = "Hello"; // String Literal

String str2 = new String("Hello"); // new String("")

이 둘은 "Hello"라는 같은 문자열 값을 저장한지만, JVM 메모리 할당에서 차이가 존재한다.

String Contstant Pool

String의 주소 할당을 어떠한 방식으로 하는지에 따라 메모리에서 형태가 다르게 된다.

String Literal을 변수에 저장하게 되면 이 값은 String Constant Pool이라는 영역에 존재하게 되고, new 연산자를 통해 String을 생성하면 이 값은 Heap 영역에 존재하게 된다.

String str1 = "Hello";
String str2 = "Hello";

String str3 = new String("Hello");
String str4 = new String("Hello");

위의 코드를 실행하면 문자열 리터럴 값으로 두 변수 str1, str2가 같은 메모리 주소를 가리킨다.

그 이유는 String이 불변(immutable)하다는 특성 덕분에, 동일한 String Literal은 String Constant Pool이라는 메모리 영역에서 재사용되어 같은 문자열 가리킨다.

이러한 이유로 str1과 str2는 동일한 메모리 주소를 참조하게 된다.

정리하면, String Constant Pool은 동일한 문자열 리터럴을 캐싱하여 불필요한 객체 생성을 줄여 메모리를 사용을 최적화하고 성능을 향상시킨다. 이러한 이유로 new String() 방식보다 문자열 리터럴 할당이 선호된다.

참고 풀(Pool)은 자원이 모여있는 곳을 의미한다. 프로그래밍에서 풀(Pool)은 공용 자원을 모아둔 곳을 뜻한다. 여러 곳에서 함께 사용할 수 있는 객체를 필요할 때마다 생성하고, 제거하는 것은 비효율적이다. 대신 이렇게 문자열 리터럴을 String Constant Pool에 저장해두고, 필요할 때마다 참조하는 방식으로 메모리를 효율적으로 사용할 수 있다. 참고로 앞서 언급했듯이 String Constant Pool은 Heap 영역에 존재한다. 그리고 String Constant Pool에서 문자열을 찾을 때는 해시 알고리즘을 사용하는데, 이 떄문에 빠른 속도로 원하는 String 인스턴스를 찾을 수 있다.

String 비교

String 클래스를 비교할 때는 == 비교가 아니라 equals() 메소드를 사용해야 한다.

  • 동일성(Idnetity): == 연산자를 사용해서 두 객체의 참조가 동일한 객체를 가리키고 있는지 확인.
  • 동등성(Equality): equals() 메소드를 사용해서 두 객체의 값이 같은지 확인.

간단히 정리하자면 == 연산자와 equals() 메소드의 차이는 주소값을 비교하냐, 대상의 값 자체를 비교하냐의 차이다. 그래서 String Literal의 비교는 == 연산자를 사용해도 String Constant Pool에서 같은 객체 값을 참조하고 있기 때문에 주소값이 같아 true가 반환된다.

하지만 new Stirng("")의 비교는 힙 메모리에서 다른 주소 값을 참조하고 있어서 == 연산자를 사용하면 false가 반환된다. 따라서 new Stirng("")은 주소 값이 아닌 그 안에 값 자체를 비교해야 하고 이 역할을 equals() 메소드가 한다.

String str1 = "Hello"; // String Literal
String str2 = "Hello";

String str3 = new String("Hello"); // new String("")
String str4 = new String("Hello");

// String Literal 비교
System.out.println(str1 == str2); // true

// new String("") 비교
System.out.println(str3 == str4); // false
System.out.println(str3.equals(str4)); // true

// 리터럴과 객체 문자열 비교
System.out.println(str1 == str3); // false
System.out.println(str3.equals(str1)); // true

String의 메소드

문자열 정보 조회

  • length(): 문자열의 길이를 반환한다.
  • charAt(int index): 문자열의 특정 인덱스에 위치한 문자를 반환한다.
  • isEmpty(): 문자열이 비어있는지 확인한다.(길이가 0인 경우)
  • isBlank(): 문자열이 공백 문자로만 이루어져 있는지 확인한다.(길이가 0인 경우 || 공백(witespace)만 있는 경우), 자바 11부터 지원

문자열 비교

  • equals(Object obj): 문자열이 주어진 객체와 동일한지 비교한다.
  • equalsIgnoreCase(String str): 대소문자를 무시하고 문자열이 같은지 비교한다.
  • compareTo(String str): 문자열을 사전 순으로 비교한다.
  • compareToIgnoreCase(String str): 대소문자를 무시하고 문자열을 사전 순으로 비교한다.
  • startsWith(String prefix): 문자열이 특정 문자열로 시작하는지 확인한다.
  • endsWith(String suffix): 문자열이 특정 문자열로 끝나는지 확인한다.

문자열 검색

  • contains(CharSequence s): 문자열이 특정 문자열을 포함하는지 확인한다.
  • indexOf(String str): 문자열에서 특정 문자열이 처음으로 등장하는 인덱스를 반환한다.
  • lastIndexOf(String str): 문자열에서 특정 문자열이 마지막으로 등장하는 인덱스를 반환한다.

문자열 조작 및 변환

  • concat(String str): 문자열을 연결한다.
  • substring(int beginIndex): 문자열의 특정 인덱스부터 끝까지의 부분 문자열을 반환한다.
  • replace(CharSequence target, CharSequence replacement): 문자열에서 특정 문자열을 다른 문자열로 대체한다.
  • replaceAll(String regex, String replacement): 문자열에서 특정 정규 표현식과 일치하는 문자열을 다른 문자열로 대체한다.
  • replaceFirst(String regex, String replacement): 문자열에서 특정 정규 표현식과 일치하는 첫 번째 문자열을 다른 문자열로 대체한다.
  • toLowerCase(): 문자열을 소문자로 변환한다.
  • toUpperCase(): 문자열을 대문자로 변환한다.
  • trim(): 문자열의 앞뒤 공백을 제거한다.
  • strip(): 문자열의 앞뒤 공백을 제거한다. 자바 11부터 지원

문자열 분할 및 결합

  • split(String regex): 문자열을 특정 정규 표현식을 기준으로 나누어 배열로 반환한다.
  • join(CharSequence delimiter, CharSequence... elements): 문자열을 결합한다.

기타 유틸리티

  • format(String format, Object... args): 지정된 형식 문자열을 사용하여 문자열을 생성한다.
  • valueOf(Object obj): 지정된 값을 문자열로 변환한다.
  • toCharArray(): 문자열을 문자 배열로 변환한다.
  • matches(String regex): 문자열이 특정 정규 표현식과 일치하는지 확인한다.

참고 CharSequence는 String, StringBuffer, StringBuilder 클래스의 부모 인터페이스이다. 문자열을 처리하는 다양한 클래스를 사용할 때, CharSequence를 사용하면 유연하게 문자열을 다룰 수 있다.

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