아이템 17. 변경 가능성을 최소화하라

불변 클래스는 그 인스턴스의 내부 값을 수정할 수 없는 클래스다. 불변 인스턴스에 간직된 정보는 고정되어 객체가 파괴되는 순간까지 절대 달라지지 않는다. 불변 클래스는 가변 클래스보다 설계, 구현, 사용이 쉬우며 오류가 생길 여지도 적고 안전하다.
클래스를 불변으로 만들려면 아래의 다섯 가지 규칙을 따르면 된다.

• 객체의 상태를 변경하는 메서드를 제공하지 않는다.
• 클래스를 확장할 수 없도록 한다. 하위 클래스에서 부주의 하게 혹은 나쁜 의도로 객체의 상태를 변하게 만드는 사태를 막아준다. 상속을 막는 대표적인 방법은 클래스를 final로 선언하는 것이다.
• 모든 필드를 final로 선언한다. 시스템이 강제하는 수단을 이용해 설계자의 의도를 명확히 드러내는 방법이다. 새로 생성된 인스턴스를 동기화 없이 다른 스레도로 건네도 문제없이 동작하게끔 보장하는 데도 필요하다.
• 모든 필드를 private으로 선언한다. 필드가 참조하는 가변 객체를 클라이언트에서 직접 접근해 수정하는 일을 막아준다.
• 자신 외에는 내부의 가변 컴포넌트에 접근할 수 없도록 한다.

불변 객체는 단순하다. 불변 객체는 생성된 시점의 상태를 파괴될 때까지 그대로 간직한다. 모든 생성자가 클래스 불변식을 보장한다면 그 클래스를 사용하는 프로그래머가 다른 노력을 들이지 않더라도 영원히 불변으로 남는다. 반면 가변 객체는 임의의 복잡한 상태에 놓일 수 있다. 변경자 메서드가 일으키는 상태 전이를 정밀하게 문서로 남겨놓지 않은 가변 클래스는 믿고 사용하기 어려울 수 도 있다.

불변 객체는 근본적으로 스레드 안전하여 따로 동기화할 필요 없다. 여러 스레드가 동시에 사용해도 절대 훼손되지 않는다. 클래스를 스르데 안전하게 만드는 가장 쉬운 방법이기도 하다. 불변 객체에 대해서는 그 어떤 스레드도 다른 스레드에 영향을 줄 수 없으니 불변 객체는 안심하고 공유할 수 있다. 따라서 불변 클래스라면 한번 만든 인스턴스를 최대한 재활용하기를 권한다. 가장 쉬운 재활용 방법은 자주 쓰이는 값들을 상수(public static final)로 제공하는 것이다.

불변 클래스는 자주 사용되는 인스턴스를 캐싱하여 같은 인스턴스를 중복 생성하지 않게 해주는 정적 팩터리를 제공할 수 있다. 이런 정적 팩터리를 사용하면 여러 클라이언트가 인스턴스를 공유하여 메모리 사용량과 가비지 컬렉션 비용이 줄어든다.

불변 객체를 자유롭게 공유할 수 있다는 점은 방어적 복사도 필요 없다는 뜻이다. 아무리 복사해봐야 원본과 똑같기 때문이다. 그러니 불변 클래스는 clone메서드나 복사 생성자를 제공하지 않는 게 좋다.

불변 객체는 자유롭게 공유할 수 있음은 물론, 불벽 객체끼리는 내부 데이터를 공유할 수 있다. 예를 들어 BigInteger클래스는 내부에서 값의 부호와 크기를 따로 표현한다. 부호에는 int변수를, 크기에는 int배열을 사용하는 것이다. 한편 negate메서드는 크기가 같고 부호만 반대인 새로운 BigInteger를 사용하는데, 이떄 배열은 비록 가변이지만 복사하지 않고 원본 인스턴스와 공유해도 된다. 그 결과 새로 만든 BigInteger인스턴스도 원본 인스턴스가 가리키는 내부 배열을 그대로 가리킨다.

객체를 만들 때 다른 불변 객체들을 구성요소로 사용하면 이점이 많다. 값이 바뀌지 않는 구성요소들로 이뤄진 객체라면 그 구조가 아무리 복잡하더라도 불변식을 유지하기 훨씬 수월하기 때문이다.

불변객체는 그 자체로 실패 원자성(메서드에서 예외가 발생한 후에도 그 객체는 여전히 메서드 호출 전과 똑같은 유효한 상태여야 하는 성질)을 제공한다.

불변 클래스에도 단점은 있다 .값이 다르면 반드시 독립된 객체로 만들어야 한다는 것이다. 값의 가짓수가 많다면 이들을 모두 만드는 데 큰 비용을 치러야 한다. 예를 들면, 백만 비트짜리 BigInteger에서 비트 하나만 바꾸더라도 새로운 BigInteger 인스턴스를 생성해야 하는 것이다. 원하는 객체를 완성하기까지의 단계가 많고 그 중간 단계에서 만들어진 객체들이 모두 버려진다면 성능 문제가 더 불거진다. 이 문제에 대처하는 방법은 두 가지다. 첫 번째는 흔히 쓰일 다단계 연산들을 예측하여 기본 기능으로 제공하는 방법이다. 이런 다단계 연산을 기본으로 제공한다면 더 이상 각 단계마다 객체를 생성하지 않아도 된다. 불변 객체는 내부적으로 좋은 방식으로 구현할 수 있기 때문이다. 클라이언트들이 원하는 복잡한 연산들을 정확히 예측할 수 있다면 package-private의 가변 동반 클래스만으로 충분하다. 그렇지 않다면 이 클래스를 public으로 제공하는 게 최선이다.

클래스가 불변임을 보장하려면 자신을 상속하지 못하게 해야 한다. 자신을 상속하지 못하게 하는 가장 쉬운 방법은 final클래스로 선언하는 것이지만, 더 유연한 방법이 있다. 모든 생성자를 private 혹은 package-private으로 만들고 public 정적 팩터리를 제공하는 방법이다.

public class Complex{
	private final double re;
    private final double im;
    
    private Complex(double re, double im){
    	this.re=re;
        this.im=im;
	}
    
    public static Complex valueOf(double re, double im){
    	return new Complex(re, im);
	}
	...
}

이 방식이 최선일 떄가 많다. 바깥에서는 볼 수 없는 package-private 구현 클래스를 원하는 만큼 만들어 활용할 수 있으니 훨씬 유연하다. 패키지 바깥의 클라이언트에서 바라본 이 불변 객체는 사싱살 final이다. public이나 protected생성자가 없으니 다른 패키지에서는 이 클래스를 확장하는 게 불가능하기 때문이다. 정적 팩터리 방식은 다수의 구현 클래스를 활용한 유연성을 제공하고, 이에 더해 다음 릴리스에서 객체 캐싱 기능을 추가해 성능을 끌어올릴 수도 있다.

모든 필드를 final로 선언하고 어떤 메서드도 그 객체를 수정할 수 없어야 한다는 규칙은 조금 과한 감이 있어서 성능을 위해 다음처럼 살짝 완화할 수 있다. "어떤 메서드도 객체의 상태 중 외부에 비치는 값을 변경할 수 없다." 어떤 불변 클래스는 계산 비용이 큰 값을 나중에 계산하여 final이 아닌 필드에 캐시해놓기도 한다. 똑같은 값을 다시 요청하면 캐시해둔 값을 반환하여 계산 비용을 절감하는 것이다. 이 묘수는 순전히 그 객체가 불변이기 때문에 부릴 수 있는데, 몇 번을 계산해도 항상 같은 결과가 만들어짐이 보장되기 때문이다.

Getter가 있다고 해서 무조건 Setter를 만들지는 말자. 클래스는 꼭 필요한 경우가 아니라면 불변이어야 한다. 불변 클래스는 장점이 많으며, 단점이라곤 특정 상황에서의 잠재적 성능 저하뿐이다. 한편, 모든 클래스를 불변으로 만들 수는 없다. 불변으로 만들 수 없는 클래스라도 변경할 수 있는 부분을 최소한으로 줄이자. 객체가 가질 수 있는 상태의 수를 줄이면 그 객체를 예측하기 쉬워지고 오류가 생길 가능성이 줄어든다. 그러니 꼭 변경해야 하는 필드를 뺀 나머지 모두를 final로 선언하자. 요약하자면 다른 합당한 이유가 없다면 모든 필드는 private final이어야 한다.
생성자는 불변식 설정이 모두 완료된, 초기화가 완벽히 끝난 상태읭 객체를 생성해야 한다. 확실한 이유가 없다면 생성자와 정적 팩터리 외에는 그 어떤 초기화 메서드도 public으로 제공해서는 안 된다. 객체를 재활용할 목적으로 상태를 다시 초기화하는 메서드도 안 된다. 복잡성만 커지고 성능의 이점은 거의 없다.