Java Functional Programming - 불변성 (Immutability)

이 글은 Functional Programming 개념 및 활용법을 자바기반으로 공부하기 위해 Gemini, Claude 의 도움을 받아 작성하였습니다.

불변성(Immutability)은 객체가 생성된 후에는 내부 상태를 절대 변경할 수 없도록 설계하는 Functional Programming의 핵심 원칙입니다. 데이터를 수정하는 대신, 변경이 필요할 때마다 기존 데이터를 복사하여 새로운 객체를 반환하도록 설계합니다. 이 원칙을 준수하면 객체의 상태를 추적하기 쉬워져 프로그램의 예측 가능성이 극대화되며, 특히 멀티스레딩 환경에서 스레드 안전성(Thread Safety)을 보장하여 동시성 문제를 근본적으로 해결할 수 있습니다. 불변성은 고품질의 견고한 애플리케이션을 구축하기 위한 필수적인 설계 기법입니다.

1. 불변성의 중요성과 이점

가변 객체(Mutable Object)는 여러 메서드나 스레드에 의해 예측할 수 없는 시점에 상태가 변경될 수 있습니다. 이는 복잡한 시스템의 버그를 유발하는 주된 원인입니다.

• 스레드 안전성(Thread Safety) 확보: 불변 객체는 상태를 변경할 수 없으므로, 여러 스레드가 동시에 접근해도 데이터 충돌이나 경쟁 조건(Race Condition)이 발생하지 않습니다. 별도의 동기화(Synchronization) 메커니즘이 필요 없습니다.
• 쉬운 캐싱 및 공유: 상태가 영구적으로 고정되어 있으므로, 한 번 생성된 객체는 복사본 없이 안전하게 공유(Share)할 수 있으며, 해시 코드(Hash Code)를 캐싱하여 성능 최적화에 사용할 수 있습니다.
• 코드의 명확성: 상태 변화가 없기 때문에 객체의 동작을 예측하기 쉽고, 디버깅이 용이해집니다.

2. 불변 클래스 설계의 필수 원칙

자바에서 완벽하게 불변하는 클래스를 설계하려면 다음의 다섯 가지 원칙을 엄격하게 준수해야 합니다.

2.1. 클래스 선언: final 키워드 사용

클래스를 final로 선언하여 다른 클래스가 이 클래스를 상속(Extend)하는 것을 방지해야 합니다. 상속을 허용하면 자식 클래스에서 객체의 불변성을 해치는 메서드를 추가할 위험이 있습니다.

2.2. 모든 필드: private final 키워드 사용

클래스 내부의 모든 필드를 private으로 선언하여 외부 접근을 차단하고, final로 선언하여 객체 생성 시 단 한 번만 초기화되도록 강제해야 합니다.

2.3. Setter 메서드 제공 금지

필드의 값을 변경하는 Setter 메서드(set*)를 절대로 제공하지 않아야 합니다. 객체의 상태 변경을 허용하는 모든 공용(public) 메서드는 금지되어야 합니다.

2.4. 생성자: 깊은 복사(Deep Copy)를 통한 초기화

생성자에서 인자로 가변 객체(Mutable Object, 예: List, Date)를 받았다면, 반드시 그 객체를 깊은 복사하여 내부 필드에 저장해야 합니다. 만약 원본 객체의 참조를 그대로 저장하면, 외부에서 원본 객체를 수정했을 때 내부 필드의 상태가 바뀌어 불변성이 깨집니다.

2.5. Getter: 방어적 복사(Defensive Copy)를 통한 반환

Getter 메서드가 내부의 가변 객체를 반환해야 할 경우, 단순히 참조를 반환하는 대신 반드시 복사본을 반환해야 합니다. 참조를 그대로 반환하면, 외부에서 반환된 객체를 수정하여 내부 상태가 변할 수 있습니다.

3. Immutable 클래스 설계 예시

Java의 String 클래스나 Integer 클래스가 불변 객체의 대표적인 예시입니다. 다음은 간단한 Point 클래스를 불변 객체로 설계하는 예시입니다.

import java.util.Collections;
import java.util.List;

// 1. 클래스를 final로 선언
public final class ImmutablePoint {

    // 2. 모든 필드를 private final로 선언
    private final int x;
    private final int y;

    // (예시를 위한 가변 객체 필드)
    private final List<String> tags;

    // 생성자
    public ImmutablePoint(int x, int y, List<String> tags) {
        this.x = x;
        this.y = y;

        // 4. 생성자에서 가변 인자를 깊은 복사(새로운 List 생성)하여 초기화
        this.tags = List.copyOf(tags); // Java 10 이후 List.copyOf 사용
    }

    // 3. Setter 메서드 없음 (상태 변경 메서드 없음)

    // Getter 메서드
    public int getX() { return x; }
    public int getY() { return y; }

    // 5. Getter: 가변 객체를 반환할 때 방어적 복사본을 반환
    // List.copyOf()로 이미 불변 리스트를 만들었지만,
    // 만약 clone()이 불가능한 클래스라면 Collections.unmodifiableList() 등을 사용
    public List<String> getTags() {
        return Collections.unmodifiableList(tags); // 외부 수정을 막기 위한 방어
    }

    // Functional Programming 스타일의 상태 변경(새 객체 생성) 메서드
    public ImmutablePoint move(int dx, int dy) {
        // 기존 객체를 수정하지 않고, 새로운 상태를 가진 새 객체를 생성하여 반환
        return new ImmutablePoint(this.x + dx, this.y + dy, this.tags);
    }
}

4. with* 메서드를 이용한 Functional Programming 패턴

불변 객체에서 상태를 변경하는 것처럼 보이는 메서드는 실제로는 기존 객체를 기반으로 새로운 객체를 생성하여 반환합니다. 관례적으로 이러한 메서드에는 with 접두사를 붙여 withName(), withTags()처럼 명명합니다. 이는 Functional Programming에서 흔히 사용되는 데이터 변환(Transformation) 패턴입니다.

ImmutablePoint p1 = new ImmutablePoint(10, 20, List.of("A"));
System.out.println("P1: " + p1.getX()); // 출력: 10

// move() 메서드는 P1의 상태를 바꾸지 않고, 새로운 객체 P2를 생성
ImmutablePoint p2 = p1.move(5, 5);
System.out.println("P2: " + p2.getX()); // 출력: 15
System.out.println("P1 (unchanged): " + p1.getX()); // 출력: 10 (P1은 그대로 유지)

이러한 불변 객체 설계 방식을 통해, 데이터 처리 파이프라인에서 데이터가 안전하게 흐르고 예측 가능한 결과를 제공하도록 보장할 수 있습니다.