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[궁금시리즈] 1-6. String은 왜 Immutable일까?

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C#에서 문자열(String)은 가장 많이 사용하는 타입 중 하나이다. 하지만 String에는 다른 클래스와 다른 매우 중요한 특징이 있다. 바로 Immutable(불변 객체) 이라는 점이다. 많은 개발자가 다음과 같은 코드를 보고

string text = "Hello";

text += " World";

문자열이 수정되었다고 생각한다.

하지만 실제로는 그렇지 않다.

String은 한 번 생성되면 내부 데이터를 절대로 변경하지 않는다.

그렇다면 왜 이렇게 설계했을까?

이번 글에서는 String이 Immutable인 이유와 그 장점에 대해 알아보자.  

Immutable이란?

Immutable(불변 객체)이란

객체가 생성된 이후에는 내부 상태를 변경할 수 없는 객체를 의미한다.

예를 들어

string text = "Hello";

여기서 생성된 “Hello” 문자열은 이후 절대 수정되지 않는다. 만약 다른 문자열이 필요하다면 기존 문자열을 수정하는 것이 아니라 새로운 문자열 객체를 생성한다.  

문자열이 수정되는 것처럼 보이는 이유

다음 코드를 보자.

string text = "Hello";

text += " World";

겉으로 보기에는

Hello
↓

Hello World

처럼 기존 문자열이 수정된 것처럼 보인다.

하지만 실제 내부에서는 다음과 같은 일이 발생한다.

Heap

"Hello"

↓

새로운 문자열 생성

"Hello World"

↓

text가 새로운 문자열을 참조

즉, 기존 “Hello”는 그대로 남아 있고, 새로운 “Hello World” 객체가 생성된다.  

실제 메모리 흐름

다음 코드를 실행해 보자.

string text = "Hello";

string copy = text;

text += " World";

메모리에서는 다음과 같이 동작한다.

1단계

text ───┐
         ▼
      "Hello"
         ▲
copy ────┘

두 변수 모두 같은 문자열을 참조한다.   2단계

text += " World";

실제로는

text = text + " World";

와 동일하다.

새로운 문자열이 생성된다.

copy ───────▶ "Hello"

text ───────▶ "Hello World"

즉, copy는 여전히 “Hello”를 참조한다.

기존 문자열은 전혀 수정되지 않았다.  

왜 이렇게 설계했을까?

String을 Immutable로 만든 이유는 여러 가지가 있다.   1. 안전하게 공유할 수 있다. 같은 문자열을 여러 변수가 참조해도 문제가 발생하지 않는다.

string a = "Hello";
string b = a;

만약 String이 변경 가능했다면

a[0] = 'X';

처럼 수정했을 때

b

↓

"Xello"

까지 함께 변경된다.

이는 매우 위험한 동작이다. Immutable이라면 절대 이런 일이 발생하지 않는다.   2. String Pool을 사용할 수 있다. 다음 코드를 보자.

string a = "Hello";
string b = "Hello";

Immutable이기 때문에 두 변수는 같은 문자열 객체를 함께 사용할 수 있다.

a ───┐
      ▼
   "Hello"
      ▲
b ────┘

이러한 최적화를 String Pool이라고 한다.

다음 글에서 자세히 알아본다.   3. 멀티스레드 환경에서 안전하다. 여러 스레드가 같은 문자열을 동시에 사용하더라도 누군가 문자열을 변경할 수 없다.

즉, 동기화(lock) 없이도 안전하게 공유할 수 있다. Immutable 객체가 멀티스레드 환경에서 자주 사용되는 이유이기도 하다.   4. Hash 값을 캐싱할 수 있다. Dictionary는 문자열의 HashCode를 자주 사용한다. 만약 문자열이 변경 가능하다면 HashCode도 계속 변경되어야 한다.

하지만 Immutable이므로 한 번 계산한 HashCode를 재사용할 수 있다.

덕분에 Dictionary 성능도 향상된다.  

Immutable의 단점

물론 단점도 존재한다. 문자열을 수정할 때마다 새로운 객체가 생성된다.

예를 들어

string text = "";

for (int i = 0; i < 10000; i++)
{
    text += i;
}

매 반복마다

새 문자열 생성

↓

기존 문자열 버림

↓

새 문자열 생성

↓

기존 문자열 버림

이라는 작업이 반복된다.

즉, 엄청난 양의 객체가 생성된다. 이러한 객체들은 결국 GC의 대상이 된다.

그래서 문자열을 자주 수정하는 경우에는 성능이 크게 떨어질 수 있다.  

그래서 StringBuilder가 등장했다

문자열을 계속 수정해야 하는 상황에서는 Immutable은 오히려 단점이 된다. 이를 해결하기 위해 등장한 것이 StringBuilder이다. StringBuilder는 기존 버퍼를 재사용하면서 문자열을 수정하기 때문에 새로운 문자열 객체를 계속 생성하지 않는다. 이에 대해서는 이후 별도의 글에서 자세히 알아본다.  

String은 정말 절대 변경되지 않을까?

그렇다.

string text = "Hello";

라는 문자열 객체는 프로그램이 끝날 때까지 혹은 GC가 회수할 때까지 내부 데이터가 절대 변경되지 않는다.

새로운 문자열이 필요하면 항상 새로운 객체가 생성된다. 이것이 Immutable의 핵심이다.  

마무리

String이 Immutable인 이유는 단순히 “수정을 막기 위해서”가 아니다. 객체를 안전하게 공유하고, String Pool을 사용할 수 있으며, 멀티스레드 환경에서도 안정적으로 동작하고, HashCode를 효율적으로 관리하기 위해 선택된 설계이다.

물론 문자열을 자주 수정하는 상황에서는 새로운 객체가 계속 생성되는 단점도 있다.

이러한 단점을 해결하기 위해 다음 글에서 살펴볼 String Pool과 StringBuilder 같은 최적화 기법이 함께 등장하게 되었다.  

핵심 정리

  • String은 Immutable(불변 객체)이다.
  • 문자열을 수정하는 것이 아니라 새로운 문자열 객체를 생성한다.
  • 여러 변수가 하나의 문자열을 안전하게 공유할 수 있다.
  • Immutable 덕분에 String Pool이 가능하다.
  • HashCode를 캐싱할 수 있어 Dictionary 등의 성능 향상에 도움이 된다.
  • 문자열을 반복해서 수정하면 많은 객체가 생성되어 성능이 저하될 수 있다.
  • 문자열을 자주 변경하는 경우에는 StringBuilder를 사용하는 것이 좋다.

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