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Java의 String 객체 저장 방법

  • 사실 주제 자체는 굉장히 추상적입니다. 어떤 Scope 에서 이야기 하느냐에 따라서 많이 달라질 것 같네요

  • 본 글에서는 다소 고수준에서 String Literal / String Object를 비교하는 식으로 내부에서 어떻게 처리되는지를 살짝 맛볼 예정입니다.


String 클래스

  • 보통 Java 에서 String 객체를 생성할 때 아래와 같이 선언합니다.

String str = "Kim";
String str1 = new String("Kim");
  • String 클래스를 확인해보면 String 클래스는 value 라는 byte(char) 배열을 통해서 문자열을 저장하고 표현합니다.

    • Java8 까지, Java9 부터 배열 타입이 다른 이유는 'Compact String' 이라는 Java9 에서 부터 추가된 기술 때문인데 아래에서 다룰 예정입니다.

package java.lang;

public final class String
    implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence,
               Constable, ConstantDesc {

    //~ Java8
    private final char[] value;    
    //Java9 ~ 
    private final byte[] value;
    .... 생략
  • JVM 내부 메모리에서는 아래와 같이 저장됩니다. value는 메모리 공간에 할당된 배열을 참조합니다.

    • 정확한 메모리 공간은 밑에서 보기로 합니다 ..

 

String Pool

  • 위에서 살펴본 String 선언 예제에서 str, str1 은 메모리에 적재되는 형태가 다릅니다.

//String Literal
String str = "Kim";
//String Object
String str1 = new String("Kim");

String interning

  • 먼저 String Literal을 살펴봅시다.

  • Java의 String은 불변성(immutability) 이라는 특성이 있어서 JVM은 String 객체에 대한 메모리 할당을 최적화 할 수 있습니다.

  • 메모리 내부에 String pool 이라는 공간을 만들어 두고 고유한 리터럴 문자열을 저장하여 이를 참조하여 사용하도록 하는 방법을 사용해서 말이죠.

    • 이 과정을 String Interning 이라고 합니다.

  • 동일한 문자열을 가지는 String 리터럴을 선언하는 예제를 확인해보겠습니다.

  • 기본적으로 String 변수를 생성하고 문자열을 할당 (리터럴) 하게 되면 JVM 내부에서는 문자열 값이 String Pool 에 존재하는지 확인합니다.

    • 이때 발견이 된다면 Java 컴파일러는 해당 문자열 리터럴의 주소에 대한 참조를 반환

    • 찾지 못한다면 해당 문자열의 리터럴을 Pool에 저장한 후에 참조를 반환

String str1 = "Kim";
String str2 = "Kim";

//두 String 객체의 주소(Heap에 할당된)는 동일합니다. 
assertThat(str1).isSameAs(str2);

 

String Object

  • 이번엔 String 생성자를 이용해서 String 객체를 생성하는 경우를 살펴봅시다.

  • 기본적으로 new 키워드가 등장을 하면 Java 컴파일러는 새로운 객체를 heap 공간에 할당하여 저장합니다.

  • 그렇기 때문에 new로 생성된 String 객체들은 각자 Heap 공간상에 적재되게 됩니다.

String str1 = "Kim";
String str2 = new String("Kim");

//두 String 객체의 주소(Heap에 할당된)는 다릅니다. 
assertThat(str1).isNotSameAs(str2);

 

String Literal vs String Object

  • 결론적으로 Literal 선언이 재사용을 하기 때문에 new로 생성하는 것 보다는 빠릅니다.
    • 다만 큰차이는 나지 않습니다 ..
  • 그래서 String에서 제공하는 intern() 이라는 메소드를 통해서 new로 생성된 String 객체를 String pool에 넣을 수는 있습니다.
    • 다만.. intern() 이 생각보다 비싸서 오히려 부작용이 생길수 있습니다.
    • 자세한 내용은 아래 블로그를 참고하셔도 좋습니다.
 

[Java/Tip] String.intern()은 메모리를 아낄 수 있다?

카페에 적었던글을 다시 옮겨 둡니다. ---- 안녕하세요.  찬 입니다. 오늘도 기초시리즈. String의 intern()에 대해서 이야기 해 보도록 하죠. intern() 에 대해서 알기 위해서는, 우선 String 자체에 대해

blog.ggaman.com

 

String Pool Grabage Collection

  • Java 버전업이 String Pool 에도 변화가 있었습니다.

  • Java7 이전에는 String Pool 은 Perm 이라는 고정된 사이즈 영역에 할당되어 GC 대상도 아니었으며interning 되는 문자열이 많아지면 OOM이 발생할 여지도 있었습니다.

  • Java7 이후에 String Pool은 Heap 영역에 저장되어 GC 대상이 되었습니다.

    • 또한 Java에서는 String Pool에 대한 여러 옵션(사이즈 등)도 제공하여 아래 글을 참고하시면 됩니다.

 

Guide to Java String Pool | Baeldung

Learn how the JVM optimizes the amount of memory allocated to String storage in the Java String Pool.

www.baeldung.com

 

Compact String

  • Java9 부터는 문자열 형식에 따라 char byte 사이의 적절한 인코딩을 선택하여 처리한다고 합니다.

    • 이를 Compact String 이라고 합니다.

  • 이를 통해서 Heap 메모리를 절약하여 GC 성능을 좋게 만들수 있다고 합니다.

//String 클래스 생성자 일부
String(char[] value, int off, int len, Void sig) {
        if (len == 0) {
            this.value = "".value;
            this.coder = "".coder;
            return;
        }
                //COMPACT STRING
        if (COMPACT_STRINGS) {
            byte[] val = StringUTF16.compress(value, off, len);
            if (val != null) {
                this.value = val;
                this.coder = LATIN1;
                return;
            }
        }
        this.coder = UTF16;
        this.value = StringUTF16.toBytes(value, off, len);
    }

 

Advanced

  • 한가지 흥미로운 점이 생겼습니다.

  • 아래 예제를 보고 나서 아래의 그림을 보면 헷갈리기 시작합니다.

    • 분명히 String 객체의 주소는 다르지만 String 객체의 value(문자열 배열)의 주소는 같습니다.

String str = "Kim";
String str1 = new String("Kim");
System.out.println(System.identityHashCode(str));
System.out.println(System.identityHashCode(str1));
//366712642
//1829164700

System.out.println(System.identityHashCode(str.value));
System.out.println(System.identityHashCode(str1.value));
//1347137144
//1347137144
//* 코드상으로는 확인할 수 없기 때문에 디버거로 확인해봅니다.
  • String Pool을 설명하는 자료입니다.

  • 분명 "Cat" (예제의 "Kim")은 다른 객체로 생성이 되어 있지만 위 예제에서는 문자열 배열의 주소가 같습니다.

Detail

  • 자세하게 확인해보겠습니다

  • str1 을 new 하는 시점의 String 클래스 생성자는 아래 예제와 같습니다.

    • 파라미터로 original 이라는 String 객체를 받아서 해당 객체의 값을 동일하게 참조하게 됩니다.

  • str이 할당되고 난후 str의 주소를 출력하고 str1 의 생성자 에서 전달받은 original 의 주소를 출력해보겠습니다.

    • 물론 String 클래스를 수정할 수는 없으니 .. Debugger를 활용하여 확인 해봅니다.

  • 결과를 보시면 주소가 같은 것으로 보아 str 객체가 str1 의 생성자에 할당된 것을 확인할 수 있습니다.

public static void main(String[] args) {
        String str = "Kim";
        System.out.println(System.identityHashCode(str));
        //1347137144
        String str1 = new String("Kim");        
}

//str1을 생성하는 String 생성자
public String(String original) {
    System.out.println(System.identityHashCode(original));
    //1347137144
        this.value = original.value;
        this.hash = original.hash;
}

Byte Code

  • 더 자세히 확인하기 위해서 바이트 코드를 확인해봅시다.

Constant pool:
   #1 = Methodref          #9.#26         // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = String             #27            // Kim
   ... 생략 ... 
  #27 = Utf8               Kim
     ... 생략 ... 
{
  public com.jinseong.soft.Application();
    descriptor: ()V
    flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: return
      LineNumberTable:
        line 5: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       5     0  this   Lcom/jinseong/soft/Application;

  public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: (0x0009) ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=3, locals=3, args_size=1
         0: ldc           #2                  // String Kim
         2: astore_1
         3: new           #3                  // class java/lang/String
         6: dup
         7: ldc           #2                  // String Kim
         9: invokespecial #4                  // Method java/lang/String."<init>":(Ljava/lang/String;)V
        12: astore_2
        13: getstatic     #5                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
        16: aload_1
        17: invokestatic  #6                  // Method java/lang/System.identityHashCode:(Ljava/lang/Object;)I
        20: invokevirtual #7                  // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
        23: getstatic     #5                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
        26: aload_2
        27: invokestatic  #6                  // Method java/lang/System.identityHashCode:(Ljava/lang/Object;)I
        30: invokevirtual #7                  // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
        33: return
      ... 생략 ... 
}
  • 일단 Constant pool은 상수 풀을 의미합니다. 보게 되면 #2 에서 'Kim' 이라는 값의 String 변수가 할당이 되었습니다.

  • 아래의 main 메서드의 0:, 7: 을 보게 되면 #2("Kim") 변수를 스택에 할당하는 것을 확인할 수 있습니다.

    • ldc - 상수를 스택으로 푸시하는 OP Code

  • 즉, 컴파일 후에 "Kim" 이라는 값의 String 객체가 String Pool에 할당이 된 후 main 메서드의 상수 풀에 할당되고 아래의 과정으로 str, str1 이 초기화 되는 것입니다.

    • str 에는 미리 등록되어 있는 "Kim" 이라는 String 객체를 바로 할당

    • str1에는 new 연산을 통해서 객체를 생성할 때 파라미터로 미리 등록되어 있는 "Kim" 이라는 String 객체를 전달

 

Conclusion

  • 결론적으로 String 객체를 문자열 리터럴을 감싸는 래퍼 클래스로 볼 수 있으며 String 객체는 생성 방식에 따라 재사용 될 수도 있고 Heap에 개별 객체가 생성될 수도 있습니다.

  • 다만 같은 문자열 값인 경우 원본 문자열(char[] 배열) 객체는 String Pool에 존재하는 객체를 사용(참조)한다는 것입니다.

  • 그림으로 한번 정리해보았습니다.

    • ':String' 은 Heap에 할당된 인스턴스라는 의미입니다.

    • 'Kim' 배열의 경우 명확하진 않지만 String Pool 내에 저장이 되는 것을 표현하기 위해서 String Pool 내부에 그려놓았습니다.


참고자료

 

Guide to Java String Pool | Baeldung

Learn how the JVM optimizes the amount of memory allocated to String storage in the Java String Pool.

www.baeldung.com

 

What is the Java string pool and how is "s" different from new String("s")?

What is meant by String Pool? And what is the difference between the following declarations: String s = "hello"; String s = new String("hello"); Is there any difference between the storing of the...

stackoverflow.com

 

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