Java - (JDK17에서는) String vs StringBuilder

Java 관련된 질문 중 String과 StringBuilder의 차이를 묻는 경우가 많다. 우리는 잘 알고 있는가..?

 

흔히 알려진 Java 관련 질문 중에서도 잘못된 질문과 답이 아주 많다고 생각한다. 대표적인 것 중 CheckedException과 UncheckedException의 대표적인 차이가 트랜잭션이 롤백된다는 것이다.

• 사실 CheckedException과 UnCheckedException은 근본적으로 트랜잭션과 아무 관련이 없다
• (https://www.youtube.com/watch?v=_WkMhytqoCc)
  • (무지성으로 공부하면서 Ctrl + C, Ctrl + V 한 결과..)

String과 StringBuilder의 차이도 너무 무지성으로 외우는 경우가 많다. (나도 그랬다.)

 

String으로 두 개의 문자열을 +로 더하는 것과, StringBuilder를 사용하는 것 어떤 게 더 효율이 좋을까?

최근에 알게 된 내용을 공유한다.

탄생

Java의 String은 초기 버전인 JDK 1.0에 탄생했고 StringBuilder는 JDK 1.5 버전에 추가되었다.

 

JDK 1.5 이전에는 불변 문자열을 다루기 위한 String과 가변 문자열을 다루기 위해서 StringBuffer만 있었는데 StringBuffer가 동기화를 수행하기 때문에 단일 스레드에서는 불필요한 성능 저하를 초래할 수 있었다.

 

그래서 단일 스레드 환경에서 사용할 가변할 문자열을 저장할 때 StringBuffer의 성능 낭비 문제를 해결하고자 StringBuilder가 탄생했다.

 

(StringBuilder 클래스는 내부 버퍼의 크기를 동적으로 조정할 수 있기 때문에 StringBuffer에 비해 유연한 문자열 처리를 제공하기도 한다.)

불변과 가변

String과 StringBuilder의 가장 큰 차이는 용도와 내부 동작이다.

 

String 클래스는 고정된(fixed) 문자열을 저장하고 참조하는 용도로 설계되었다. 그래서 내부 동작이 불변(Immutable)하게 설계되었다.

 

아래의 예시를 보자.

String A = "12";
String B = "45";
String C = a + b;

불필요하게 문자열 인스턴스를 3개나 생성하고 있다.

 

반면, StringBuilder 클래스는 문자열을 동적으로 변경하거나 조작하는 용도이기 때문에 내부 동작이 가변(Mutable)으로 설계되었다.

 

내부적으로 바이트 버퍼를 가지고 있으며 해당 버퍼를 확장/축소하여 새로운 문자열 인스턴스를 위한 공간을 생성하지 않더라도 문자열을 변경할 수 있다.

예시는 다음과 같다.

StringBuilder sb = new StringBuilder();
sb.append("12");
sb.append("34");

아까 String과 다르게 문자열 인스턴스를 세개나 생성해서 공간을 차지하지도 않고, GC를 추가적으로 수행할 필요가 없게 된다.

문자열 기본 클래스 String이 불변인 이유

자바의 문자열 기본 클래스인 String을 불변으로 설계한 이유는 다음과 같다.

• 스레드 안전성을 제공하고 동시성 문제를 피할 수 있다.
• 보안이 뛰어나다. (암호 등을 외부에서 변경하면 문제가 생길 수 있음)
• 문자열 리터럴의 재사용이 가능
  • 여러 객체에서 문자열을 공유할 수 있음
• 최적화 기회를 많이 제공함 (컴파일러에서 불변을 가정할 수 있기 떄문)
  • (불변 객체 GC 최적화 내용: https://jaehoney.tistory.com/305)

현재 버전에서도 동일할까?

이 부분이 사실 해당 포스팅에서 가장 중요한 부분인 것 같다. 현재 버전에서도 동일한가..?

 

String 클래스의 불변성과 StringBuilder 클래스의 가변성은 자바의 기본적인 개념으로 버전이 변경되어도 변하지 않는다. 그렇다고 String의 더하기 연산이 여전히 StringBuilder의 append 연산보다 느리다는 것을 뜻하는 것은 아니다.

 

JDK 5 버전부터는 String의 '+' 연산에 StringBuilder로 활용한다.

 

추가로 JDK 9 버전부터는 String 클래스의 내부 구현 방식이 바껴서 불변이지만 일부 문자열에서 StringBuilder나 StringBuffer보다 효율적으로 동작할 수 있다.

 

JDK 9 이전에서는 String이 문자열을 char 배열로 저장했지만, JDK 9 버전부터는 byte 배열에 저장하고, 캐시된 해시코드를 사용한다. 문자열 덧셈 연산에 StringConcatFactory 클래스의 makeConcatWithConstants 메서드를 호출한다.

• 동적으로 호출되는 Bootstrap method를 호출함으로써 상황에 따른 최적화된 코드를 생성한다.
  • StringBuilder보다 효율적인 방식으로 문자열을 연결하며, 메모리 사용량을 최소화한다.
• 일반적으로 작은 문자열을 연결할 때는 StringBuilder보다 성능이 뛰어나다.
  • Constant Pool 활용
  • StringBuilder Pool 활용
  • Indify (바이트 배열 기반의 최적화 기법)
  • Intrinsics (JIT 컴파일러가 처리할 수 있는 본질적 함수로 메서드 호출 오버헤드 감소)
• 참고: (https://june0122.tistory.com/2)

동적으로 호출되는 Bootstrap method를 호출한다는 것은 상황에 맞는 최적화된 코드를 사용한다는 것을 의미한다.

 

가령, ("a" + "b" + "c" + "b" + "d")와 같은 연산을 수행할 때, 기존에는 문자열을 하나씩 생성하고 더해가면서 새로운 인스턴스를 만들었지만, 이제는 하나의 배열에 모든 문자열을 전부 저장한 후 한번에 연결한다.

 

결과적으로 현재는 반복문에서 1000회 이상씩 반복문으로 문자열을 생성하는 경우 등이 아니라면, StringBuilder가 String보다 절대적으로 뛰어난 것은 아니며, 간단 문자열 연결에서는 String이 더 나은 선택이 될 수 있다.

참고

• https://june0122.tistory.com/2
• https://velog.io/@ifi9/JDK-%EB%B2%84%EC%A0%84-%EB%B3%84-String-%EC%97%B0%EC%82%B0
• https://dejavuhyo.github.io/posts/java-9-compact-string
• https://parkadd.tistory.com/m/140