[Java] 내부 클래스에 static이 권장되는 이유에 대해

static 클래스가 다른 static 멤버와 다른 점

Java에서 "static 키워드를 사용한다"는 것은 메모리에 단 한 번 할당되어 프로그램이 종료될 때 까지 유지되며 종료되는 순간 해제되는 것을 의미합니다.

개발자가 'static' 키워드를 붙인 멤버는 JVM의 static 영역에 생성되며, new 연산자로 만든 인스턴스는 Heap 영역에 할당됩니다.

 

인스턴스 생성시 할당된 Heap영역의 메모리는 가비지 컬렉터를 통해 수시로 정리(*쓰지 않는 메모리는 해제하는 작업을 통해 메모리를 청소)되며, GC의 관리 영역 밖에 존재하는 static은 남용하면 프로그램의 종료까지 유지되기 때문에 자주, 많이 사용한다면 퍼포먼스에 악영향을 끼칠 수 있습니다.

 

하지만 static 'class'는 조금 다릅니다.

 

static class또한 static 영역에 할당되는 것은 동일합니다만, 다른 static 멤버와 달리 static 클래스는 프로그램이 실행될 때 메모리에 한 번만 할당하는 것이 아닌, 외부 클래스의 인스턴스가 생성될 때마다 (static 키워드가 붙었는데도) 새롭게 static 영역에 할당합니다. 

public class StaticTest2 {
    static class InnerStatic{}

    public static void main(String[] args) {
        InnerStatic a = new StaticTest2.InnerStatic();
        InnerStatic b = new StaticTest2.InnerStatic();
        
        System.out.println(a);
        System.out.println(b);

        System.out.println(a==b); // false
    }
}

실행 결과 aboutInnerClass.staticInner.StaticTest2$InnerStatic@5a39699c aboutInnerClass.staticInner.StaticTest2$InnerStatic@3cb5cdba false

 

그렇다면 외부 인스턴스를 먼저 생성하고 초기화 해야 하는 작업이 필요한 inner instance class와 달리, 인스턴스를 바로 생성할 수 있는  static class의 무분별한 사용이 퍼포먼스에 악영향을 끼칠 수 있지 않는가?

 

오히려 static class의 사용을 권장합니다.

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static class 사용이 권장되는 이유 

1. static 으로 선언되지 않은 내부 클래스는 외부 클래스에 대한 숨은 참조를 저장해야 하기 때문에 이를 위한 시간/공간적 복잡도가 증가해 성능 저하 발생 

IDE까지 static class로 사용할 것을 권장하는 상황

 

static class를 사용하지 않고 내부 인스턴스 클래스를 사용하게 되면, '숨은 외부 참조'라는 것이 발생합니다.

inner instance class를 생각해봅시다.

public static void main(String[] args) {
    Bag b = new Bag("bagPack", 500000L); // 외부 클래스 인스턴스 생성 -> 외부 클래스가 메모리에 적재 -> 내부 클래스의 코드도 메모리에 적재 
    Bag.Pouch p = b.new Pouch("pouch1", "white"); // 내부 클래스의 인스턴스 생성 가능
    
    // 위 두줄을 한 줄로 표현할 수 있습니다 (가독성은 좋지 않음)
    Bag.Pouch p2 = new Bag("backPack2", 300000L).new Pouch("pouch2", "red");
    
}

외부 클래스의 인스턴스 생성한 이후 내부 클래스 클래스를 초기화 하는 과정을 거쳤습니다.

이 과정에서 inner 클래스는 자신을 만들어준 인스턴스(=outer 클래스)에 대한 '외부 참조'를 갖게 됩니다.

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외부 참조의 문제

그래서 내부 클래스가 외부 클래스를 참조하면서 생기는 문제가 무엇인가?

 

1. Inner class가 Outer class를 외부 참조
2. -> Outer 클래스가 필요없어졌을 때, GC가 정리 대상으로 삼아 메모리에서 제거해야 함
3. -> 하지만 외부 참조로 내부 클래스와 연결되어 있기 때문에 GC의 대상이 되지 못함
4. -> 메모리에 남아 있어 메모리 누수가 발생

 

실험을 통해 알아봅시다.

☕ 내부 클래스는 static 으로 선언 안하면 큰일 난다

위 자료에서 외부 참조의 문제를 잘 실험한 코드가 있어 참고하였습니다. 

public class Outer {
	// 외부 클래스 객체의 크기를 불리기 위한 배열 변수
    private int[] data;
    
    
    // 내부 instacne class
    class Inner {}

	// 외부 클래스 생성자
    public Outer(int size) {
        data = new int[size];
    }
	
    // 내부 클래스 인스턴스 생성하여 리턴하는 메소드
    Inner getInnerObject() {
        return new Inner();
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {

        ArrayList<Object> l = new ArrayList<>();

        for (int i = 0; i < 50; i++) {
            l.add(new Outer(100000000).getInnerObject());
            System.out.println(i);
        }
    }
}

 

실험 과정

1. Inner 클래스의 객체를 담을 리스트 생성 
2. 내부 클래스를 생성하기 위해 외부 클래스를 인스턴스화 하는 과정 중 size가 100,000,000(400MB)인 배열을 생성하여 Heap영역에 할당.
3. 할당이 끝나면 내부 클래스 리턴.

위 2, 3번 과정이 50번 반복되는 동안 메소드 호출용도로 사용된 400MB의 Outer 클래스의 인스턴스는 GC의 대상이 되어 힙 메모리에서 삭제되어야 하겠지만, 코드를 실행해보면 아래와 같이 실행 도중 메모리 누수가 발생하여 예외가 터지는 것 볼 수 있습니다.

메모리 누수 발생

 

메소드 호출용으로 사용된 Outer 클래스를 Inner 클래스에서 외부 참조하고 있기 때문에 GC 수거 대상으로 간주하지 않아, 메모리 누수가 발생한 것입니다.

 

그렇다면 static 클래스는 어떨까요

public class Outer {
    private int[] data;
    static class Inner {}

    public Outer(int size) {
        data = new int[size];
    }

    Inner getInnerObject() {
        return new Inner();
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {

        ArrayList<Object> l = new ArrayList<>();

        for (int i = 0; i < 50; i++) {
            l.add(new Outer(100000000).getInnerObject());
            System.out.println(i);
        }
    }
}

static 실험 결과

static 클래스로 실험해보면 for문이 모두 순회한 것을 확인할 수 있습니다. 어떻게 가능한 것일까?

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static 클래스는 외부 참조를 하지 않습니다.

static의 경우 정규화된 this 키워드를 사용하면 컴파일 에러가 발생합니다.

이 전 포스팅에서 말한 외부/내부 클래스에서는 정규화된 this를 사용하면 바깥 인스턴스의 메소드를 호출하거나 참조할 수 있었습니다.

static class는 외부 참조를 하지 않기 때문에 정규화된 this 키워드를 사용하면 빨간줄로 컴파일 에러가 발생합니다.

 

즉, 실험에서 일회용으로 사용된 Outer 클래스 객체는 static Inner class의 객체와 아무런 관계가 아니게 되므로, 정상적으로 GC 수거 대상이 되어 메모리 관리가 잘 된 것입니다.

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정리

1. inner 클래스를 선언할때 static 키워드를 붙여주지 않으면 '외부 참조' 현상이 발생합니다.
2. inner 클래스 인스턴스를 생성하기 위해 우선적으로 만들었던 Outer 클래스 인스턴스가 정상적으로 GC 수거가 되지 않음. ( Inner Class 가 Outer 클래스를 참조하고 있기 때문에 GC의 대상으로 삼지 않기 때문에)

 

따라서 내부 클래스가 외부 클래스의 멤버를 가져와 사용하는 경우가 아닌 경우 반드시 내부 클래스를 선언 할 때는 static 키워드를 붙여주어야 합니다.

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<참고 자료>

 

[JAVA ] Static이란? 정적 변수 정적 메소드에 관하여

 

☕ 내부 클래스는 static 으로 선언 안하면 큰일 난다