String Optimization

자바 컴파일러는 다음과 같이 문자열을 처리하는 코드를 만나면, 이를 최적화하여 하나의 문자열로 만들어준다.

String literal 결합 최적화

String str1 = "Hello";
String str2 = "World";
String str3 = str1 + str2;

위 코드는 str1과 str2를 합쳐 str3에 저장하는 코드이다. 하지만 자바 컴파일러는 이 코드를 다음과 같이 최적화하여 처리한다.

String str3 = "HelloWorld";

컴파일과정에서 문자열을 합치는 코드를 만나면, 이를 최적화하여 하나의 문자열로 만들어준다. 따라서 런타임에 별도의 문자열 결합 연산을 수행하지 않기 때문에 성능이 향상된다.

String 변수 최적화

문자열 변수의 경우 그 안에 어떤 문자열이 들어있는지 컴파일 시점에서는 알 수 없기 때문에, 단순하게 결합할 수 없다.

String result = str1 + str2;

이런 상황인 경우, 다음과 같이 최적화를 수행한다.(최적화 방식은 자바 버전에 따라 다를 수 있다.)

String result = new StringBuilder().append(str1).append(str2).toString();

참고 자바 9부터는 StringConcatFactory 클래스를 통해 invokedynamic를 사용하여 문자열 결합 최적화를 수행한다.

이렇듯 자바가 최적화 처리해주기 때문에 간단한 경우에는 StringBuilder를 사용하지 않아도 된다.

String 최적화가 어려운 경우

하지만 다음과 같이 문자열을 루프안에서 문자열을 결합하는 경우에는 최적화가 이루어지지 않는다.

String result = "";
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
    result += i;
}

왜냐하면 루프안에서 문자열을 결합할 때마다 다음과 같이 새로운 문자열을 생성하기 때문이다.

String result = "";
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
    result = new StringBuilder().append(result).append(i).toString();
}

반복문의 내부에서는 최적화가 되는 것 처럼 보이지만, 실제로는 반복 횟수만큼 새로운 문자열을 생성하고 이를 참조하게 된다. 반복문 내에서의 문자열 연결은 런타임에 연결할 문자열의 개수와 내용이 결정된다. 이런 경우, 컴파일러는 얼마나 많은 반복이 일어날지, 각 반복에서 어떤 문자열이 결합될지 알 수 없기 때문에 최적화를 수행하기에 어려움이 있다.

StringBuffer도 마찬가지로 최적화가 이루어지지 않을 것이다. 아마도 대략 반복 횟수인 10,000번만큼 StringBuffer 객체를 생성하고, 이를 참조하게 했을 것이다.

위 코드를 실행하면, String을 사용한 경우에는 약 1초 정도가 걸렸다. 이럴 떄는 StringBuilder를 사용하면 된다.

StringBuilder result = new StringBuilder();
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
    result.append(i);
}

StringBuilder를 사용한 경우에는 1ms도 걸리지 않는다.

정리를 하자면 문자열을 결합하는 상황의 대부분의 경우 최적화가 되므로 + 연산을 사용하면 된다. 하지만 StringBuiler를 사용하는 것이 더 좋은 경우도 있다.

StringBuilder를 직접 사용하는 것이 더 좋은 경우

반복문에서 반복해서 문자를 연결할 때 조건문을 통해 동적으로 문자열을 조합할 때 복잡한 문자열의 특정 부분을 변경해야 할 때 매우 긴 대용량 문자열을 다룰 때

참고 - StringBuilder vs StringBuffer StringBuilder 와 똑같은 기능을 수행하는 StringBuffer 클래스도 있다. StringBuffer 는 내부에 동기화가 되어 있어서, 멀티 스레드 상황에 안전하지만 동기화 오버헤드로 인해 성능이 느리다. StringBuilder 는 멀티 쓰레드에 상황에 안전하지 않지만 동기화 오버헤드가 없으므로 속도가 빠르다. 자세한 내용은 String vs StringBuilder vs StringBuffer를 참고하면 되겠다.

StringBuilder와 Method Chain

String은 char[]를 보다 효율적이고 쉽게 다룰 수 있도록 한 클래스이다. StringBuilder 또한 이러한 기능들을 제공하는데 그 중 하나가 메서드 체인(Method Chain)이다.

StringBuilder의 append() 메서드의 내부코드를 보면 this로 자기 자신의 참조값을 반환하고 있다.

public StringBuilder append(String str) {
    super.append(str);
    return this;
}

StringBuilder에서 문자열을 변경하는 대부분의 메서드도 메서드 체이닝 기법을 제공하기 위해 this를 반환하고 있다. 이를 이용하면 다음과 같이 메서드를 연쇄적으로 호출할 수 있다.

대표적으로 insert(), delete(), reverse(), replace() 등이 있다.

앞서 StringBuilder를 사용한 코드를 다음과 같이 개선할 수 있다.

StringBuilder sb = new StringBuilder();
String string = sb.append("A").append("B").append("C").append("D")
        .insert(4, "Java")
        .delete(4, 8)
        .reverse()
        .toString();

System.out.println(string); // DCBA

이렇게 메서드 체인을 사용하면 코드가 간결해지고 가독성이 좋아진다. 메서드 체이닝의 구현은 복잡하고 번거롭지만 사용하는 입장에서는 편리함을 경험할 수 있다. 자바의 라이브러리와 오픈 소스들은 메서드 체이닝 기법을 많이 사용하고 있다.

문자열 최적화(String Optimization)