Java String Pool

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• JVM(Java Virtual Machine)

0. 들어가면서

경험한 레거시 시스템들을 돌이켜보면 문자열 비교를 위해 동등 연산자(==)를 사용한 코드들을 종종 보곤 했습니다. 초보 개발자의 실수인지 엄청난 고수의 설계인지는 모르겠지만, 시스템은 정상적으로 동작했습니다. 당시엔 왜 정상적으로 동작했는지 찾아보지 않았는데, 나중에 Java의 문자열 풀(String Pool) 개념을 알게 되면서 해당 현상을 이해하게 되었습니다. 이번 포스트는 문자열 풀에 대해 정리해보았습니다.

1. 문자열 풀(String Pool)

문자열은 Java 어플리케이션에서 정말 많이 사용하는 자료형입니다. JVM(Java Virtual Machine)은 메모리를 효율적으로 운영하기 위해 문자열 풀을 사용합니다.

문자열 풀은 문자열을 저장하는 JVM의 특이한 메모리 영역입니다. 같은 값을 가지는 문자열이 문자열 풀에 존재하는지 확인하고, 만약 존재한다면 해당 문자열을 참조하여 사용합니다.

아래 테스트 코드를 통해 정말 같은 주소의 객체를 참조하는지 확인할 수 있습니다.

• first 객체와 second 객체는 같은 문자열 값을 가집니다.
• System 클래스 identityHashCode 메소드를 사용하여 first와 second 변수가 참조하는 객체의 주소가 같음을 확인합니다.
• 동등 연산자를 사용해 first와 second 변수가 참조하는 객체가 같음을 확인합니다.

    @Test
    void first_and_second_string_refer_to_same_address() {
        String first = "Junhyuuny";
        String second = "Junhyuuny";

        assertThat(System.identityHashCode(first), equalTo(System.identityHashCode(second)));
        assertThat(first == second, equalTo(true));
        assertThat(first, sameInstance(second));
    }

1.1. 문자열 풀 위치

문자열 풀의 위치는 JDK 7 버전부터 변경되었습니다.

• JDK 6 버전까지 Permanent Generation 메모리 영역 사용
  • PermGen 영역이라고도 불리며 메인 힙(heap) 메모리 영역과 분리된 특별한 힙 영역입니다.
  • 로딩된 클래스들의 메타 데이터(metadata)들을 저장합니다.
  • PermGen 영역은 사이즈가 고정되어 런타임 시 확장이 불가능하고, GC(Garbage Collection) 대상이 아니었습니다.
  • 과도한 문자열 풀 사용시 OOM(OutOfMemory) 에러가 발생할 위험이 높았습니다.
  • 추가적으로 PermGen 영역은 JDK 8 버전에 사라지고 Metaspace로 대체되었습니다.
• JDK 7 버전부터 Heap 메모리 영역 사용
  • PermGen 영역을 사용할 때 문제점을 해결하기 위해 문자열 풀을 힙 영역으로 이동합니다.
  • GC 수행이 가능하기 때문에 OOM 에러의 위험을 많이 줄이게 되었습니다.

2. 문자열 풀에 저장되는 대상

문자열 객체라고 모두 문자열 풀에 저장되는 대상은 아닙니다. 리터럴(literal) 문자열은 문자열 풀의 저장 대상이지만, String 클래스 생성자를 통해 만들어진 문자열은 저장 대상이 아닙니다. 리터럴 문자열은 쌍 따옴표(““)를 이용해 선언한 문자열입니다.

아래 테스트 코드를 통해 확인해보겠습니다.

• literal 객체와 stringObject 객체는 같은 문자열 값을 가집니다.
• System 클래스 identityHashCode 메소드를 사용하여 literal와 stringObject 변수가 참조하는 객체의 주소가 다름을 확인합니다.
• 동등 연산자를 사용해 literal와 stringObject 변수가 참조하는 객체가 다름을 확인합니다.

    @Test
    void literal_string_has_different_address_with_string_object() {
        String literal = "Junhyunny";
        String stringObject = new String("Junhyunny");

        assertThat(System.identityHashCode(literal), not(equalTo(System.identityHashCode(stringObject))));
        assertThat(literal != stringObject, equalTo(true));
        assertThat(literal, not(sameInstance(stringObject)));
    }

힙 메모리에 저장되는 문자열 위치

• 리터럴로 생성한 문자열은 힙 영역 내 문자열 풀에 저장됩니다.
• String 클래스 생성자를 통해 만들어진 객체는 문자열 풀을 제외한 힙 영역에 저장됩니다.
  • String 생성자를 이용해 문자열 객체를 만드는 방식은 문자열 풀을 이용하지 못하는 방식이므로 지양합니다.

https://www.javatpoint.com/string-pool-in-java

3. 문자열 풀에 저장되는 시점

문자열들이 풀에 저장되는 시점들을 찾아봤습니다.

3.1. String Interning

모든 리터럴 문자열들을 대상으로 오직 하나의 카피만 저장하고, 이를 재사용합니다. 이 프로세스를 String Interning이라고 하며, 컴파일 시점에 자동으로 이뤄집니다. 위의 테스트 코드를 다시 살펴보겠습니다.

• first 변수가 참조하는 “Junhyunny” 문자열은 컴파일 시점에 풀에 새롭게 저장됩니다.
• second 변수가 참조하는 “Junhyuuny” 문자열은 풀에 저장되어 있으므로 재사용합니다.
• first 변수와 second 변수는 결국 같은 객체를 참조합니다.

    @Test
    void first_and_second_string_refer_to_same_address() {
        String first = "Junhyuuny";
        String second = "Junhyuuny";

        assertThat(System.identityHashCode(first), equalTo(System.identityHashCode(second)));
        assertThat(first == second, equalTo(true));
        assertThat(first, sameInstance(second));
    }

3.2. 명시적인 intern 메소드 호출

String 클래스를 보면 intern 메소드를 통해 명시적으로 문자열을 풀에 저장합니다.

String 클래스 intern 메소드

• 해당 문자열과 동일한 값을 가지는 문자열을 풀에서 반환합니다.
• 동일한 값을 가지는 문자열이 이미 풀에 있는 경우 풀에 저장된 문자열이 반환합니다.
• 해당 값을 가지는 문자열이 풀에 없는 경우 풀에 해당 값을 가지는 문자열을 저장하고 참조를 반환합니다.

    /**
     * Returns a canonical representation for the string object.
     * <p>
     * A pool of strings, initially empty, is maintained privately by the
     * class {@code String}.
     * <p>
     * When the intern method is invoked, if the pool already contains a
     * string equal to this {@code String} object as determined by
     * the {@link #equals(Object)} method, then the string from the pool is
     * returned. Otherwise, this {@code String} object is added to the
     * pool and a reference to this {@code String} object is returned.
     * <p>
     * It follows that for any two strings {@code s} and {@code t},
     * {@code s.intern() == t.intern()} is {@code true}
     * if and only if {@code s.equals(t)} is {@code true}.
     * <p>
     * All literal strings and string-valued constant expressions are
     * interned. String literals are defined in section 3.10.5 of the
     * <cite>The Java&trade; Language Specification</cite>.
     *
     * @return  a string that has the same contents as this string, but is
     *          guaranteed to be from a pool of unique strings.
     * @jls 3.10.5 String Literals
     */
    public native String intern();

intern 메소드 테스트

간단한 테스트 코드를 통해 동작을 확인할 수 있습니다.

• first 변수가 참조하는 “Junhyunny” 문자열은 컴파일 시점에 풀에 새롭게 저장됩니다.
• new String("Junhyunny") 객체의 intern 메소드를 호출합니다.
• “Junhyunny” 문자열은 이미 풀에 저장되어 있으므로 first 변수가 참조하는 객체와 동일한 참조 값이 반환됩니다.

    @Test
    void literal_string_has_same_address_with_interned_string() {
        String literal = "Junhyunny";
        String internedString = new String("Junhyunny").intern();

        assertThat(System.identityHashCode(literal), equalTo(System.identityHashCode(internedString)));
        assertThat(literal == internedString, equalTo(true));
        assertThat(literal, sameInstance(internedString));
    }

CLOSING

이 포스트를 작성하면서 읽은 레퍼런스들이나 포스트들을 보면 런타임 상수 풀(Runtime Constant Pool)과 문자열 풀에 대한 개념이 혼동되어 사용되는데, 두 개념 사이의 정확한 관계를 정의내리지 못 했습니다. 둘 사이에 관련된 공식 문서나 레퍼런스들을 발견하진 못 했지만, 이를 추정할 수 있는 몇 가지 내용들을 다음 포스트로 정리해 볼 생각입니다.

이번 포스트를 정리하는 차원에서 간단한 문제를 남기고 글을 마무리하겠습니다. 아래 내용을 상기하여 문제를 풀어보시면 좋을 것 같습니다.

• 리터럴 문자열들은 String Interning 처리로 컴파일 시점에 자동으로 문자열 풀에 등록, 재사용된다.
• Java의 문자열은 불변(immutable)하기 때문에 덧셈 연산으로 생성되는 문자열은 같은 값을 가지지만, 새로운 객체이다.
• intern 메소드를 사용하면 문자열 풀에 새로운 문자열을 저장하거나, 존재하는 문자열을 참조하여 사용할 수 있다.

    @Test
    void guess_results() {
        String first = "Hello";
        String second = "World";
        String third = "HelloWorld";
        String fourth = first + second;

        System.out.println((first + second) == third);
        System.out.println((first + second) == fourth);
        System.out.println((first + second).intern() == third);
        System.out.println(fourth == third);
        System.out.println(fourth == third.intern());
        System.out.println(fourth.intern() == third);
    }

TEST CODE REPOSITORY

• https://github.com/Junhyunny/blog-in-action/tree/master/2022-08-21-java-string-pool

REFERENCE

• https://www.baeldung.com/java-string-pool
• https://www.baeldung.com/java-string-constant-pool-heap-stack
• https://www.baeldung.com/java-permgen-metaspace
• https://javajee.com/string-interning-in-java-with-examples
• https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se11/html/jvms-2.html#jvms-2.5.4
• https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se11/html/jvms-2.html#jvms-2.5.5
• https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se6/html/Overview.doc.html#22972
• https://stackoverflow.com/questions/57414169/string-pool-do-string-always-exist-in-constant-pool
• https://stackoverflow.com/questions/23252767/string-pool-vs-constant-pool/23253122#23253122
• https://stackoverflow.com/questions/64630087/in-java-literal-strings-only-stored-in-the-string-constant-pool?noredirect=1&lq=1