컬렉션 프레임웍(Collections Framework)

컬렉션 프레임웍이란, 데이터 군을 저장하는 클래스들을 표준화한 설계를 뜻한다. 컬렉션은 다수의 데이터, 즉 데이터 그룹을, 프레임웍은 표준화된 프로그래밍 방식을 의미한다.

컬렉션 프레임웍은 컬렉션, 다수의 데이터 등을 다루는 데.필요한 다양하고 풍부한 클래스들을 제공하기 때문에 프로그래머의 짐을 상당히 덜어 주고 있으며, 또한 인터페이스와 다형성을 이용한 객체지향적 설계를 통해 표준화되어 있기 때문에 사용법을 익히기에도 편리하고 재사용성이 높은 코드를 작성할 수 있다는 장점이 있다.

컬렉션 프레임웍의 핵심 인터페이스

컬렉션 프레임웍에서는 컬렉션데이터 그룹을 크게 3가지 타입이 존재한다고 인식하고 . 각 컬렉션을 다루는데 필요한 기능을 가진 3개의 인터페이스를 정의하였다. 그리고 인터페이스 List와 Set의 공통된 부분을 다시 뽑아서 새로운 인터페이스인 Collection을 추가로 정의하였다.

인터페이스 List와 Set을 구현한 컬렉션 클래스들은 서로 많은 공통부분이 있어서, 공통된 부분을 다시 뽑아 Collection 인터페이스를 정의할 수 있었지만 Map 인터페이스는 이들과는 전혀 다른 형태로 컬렉션을 이루기 때문에 같은 상속계층도에 포함되지 못했다.

Collection 인터페이스

List와 Set의 조상인 Collection 인터페이스에는 다음과 같은 메서드들이 정의되어 있다.

List 인터페이스

List 인터페이스는 중복을 허용하면서 저장순서가 유지되는 컬렉션을 구현하는데 사용된다.

Set 인터페이스

Set 인터페이스는 중복을 허용하지 않고 저장순서가 유지되지 않는 컬렉션 클래스를 구현하는데 사용한다. Set인터페이스를 구현한 클래스로는 HashSet, TreeSet 등이 있다.

Map 인터페이스

Map 인터페이스는 키(key)와 값을(value)을 하나의 쌍으로 묶어서 저장하는 컬렉션 클래스를 구현하는 데 사용된다. 키는 중복될 수 없지만 값은 중복을 허용한다. 기존에 저장된 데이터와 중복된 키와 값을 저장하면 기존의 값은 없어지고 마지막에 저장된 값이 남게 된다. Map 인터페이스를 구현한 클래스로는 HashTable, HashMap, LinkedHashMap, SortedMap, TreeMap 등이 있다.

Map.Entry 인터페이스

Map.Entry 인터페이스는 Map 인터페이스의 내부 인터페이스이다. 내부 클래스와 같이 인터페이스도 인터페이스 안에 인터페이스를 정의하는 내부 인터페이스(inner interface)를 정의하는 것이 가능하다.

Map에 저장되는 key-value 쌍을 다루기 위해 내부적으로 Entry인터페이스를 정의해놓았다. 이것은 보다 객체지향적으로 설계하도록 유도하기 위한 것으로 Map 인터페이스를 구현하는 클래스에서는 Map.Entry 인터페이스도 함께 구현해야한다.

ArrayList

ArrayList는 컬렉션 프레임웍에서 가장 많이 사용되는 컬렉션 클래스일 것이다. 이 ArrayList는 List인터페이스를 구현하기 때문에 데이터의 저장순서가 유지되고 중복을 허용한다는 특징을 갖는다.

ArrayList는 Object배열을 이용해서 데이터를 순차적으로 저장한다. 예를 들면, 첫 번째로 저장된 객체는 Object 배열의 0번째 위치에 저장되고 그 다음에 저장하는 객체는 1번째 위치에 저장된다. 이런 식으로 계속 배열에 순서대로 저장되며, 배열에 더 이상 저장할 공간이 없으면 보다 큰 새로운 배열을 생성해서 기존의 배열에 저장된 내용을 새로운 배열로 복사한 다음에 저장된다.

ArrayList를 생성할 때, 저장할 요소의 개수를 고려해서 실제 저장할 개수보다 약간 여유 있는 크기로 하는 것이 좋다. 생성할 때 지정한 크기보다 더 많은 객체를 저장하면 자동적으로 크기가 늘어나기는 하지만 처리시간이 많이 소요되기 때문이다.

LinkedList

배열은 가장 기본적인 형태의 자료구조로 구조가 간단하며 사용하기 쉽고 데이터를 읽어오는데 걸리는 시간(접근시간, access time)이 가장 빠르다는 장점을 가지고 있지만 다음과 같은 단점도 가지고 있다.

1. 크기를 변경할 수 없다.

• 크기를 변경할 수 없으므로 새로운 배열을 생성해서 데이터를 복사해야 한다.
• 실행속도를 향상시키기 위해서는 충분히 큰 크기의 배열을 생성해야 하므로 메모리가 낭비된다.

2. 비순차적인 데이터의 추가 또는 삭제에 시간이 많이 걸린다.

• 차례대로 데이터를 추가하고 마지막에서부터 데이터를 삭제하는 것은 빠르지만,
• 배열의 중간에 데이터를 추가하려면, 빈자리를 만들기 위해 다른 데이터들을 복사해서 이동해야 한다.

이러한 배열의 단점을 보안하기 위해서 링크드 리스트(linked list)라는 자료구조가 고안되었다. 배열은 모든 데이터가 연속적으로 존재하지만 링크드 리스트는 불연속적으로 존재하는 데이터를 서로 연결(link)한 형태로 구성되어 있다.

위의 그림에서 알 수 있듯이 링크드 리스트의 각 요소(node)들은 자신과 연결된 다음 요소에 대한 참조(주소값)와 데이터로 구성되어 있다.

class Node {
	Node next;	// 다음 요소를 주소에 저장
    Object obj; // 데이터를 저장
}

링크드 리스트에서의 데이터 삭제는 간단하다. 삭제하고자 하는 요소의 이전요소가 삭제하고자 하는 요소의 다음 요소를 참조하도록 변경하기만 하면 된다. 단 하나의 참조만 변경하면 삭제가 이루어지는 것이다. 배열처럼 데이터를 이동하기 위해 복사하는 과정이 없기 때문에 처리속도가 매우 빠르다.

새로운 데이터를 추가할 때는 새로운 요소를 생성한 다음 추가하고자 하는 위치의 이전 요소의 참조를 새로운 요소에 대한 참조로 변경해주고, 새로운 요소가 그 다음 요소를 참조하도록 변경하기만 하면 되므로 처리속도가 매우 빠르다.

링크드 리스트는 이동방향이 단방향이기 때문에 다음 요소에 대한 접근은 쉽지만 이전요소에 대한 접근은 어렵다. 이 점을 보완한 것이 더블 링크드 리스트(이중 연결리스트, doubly linked list)이다.

더블 링크드 리스트는 단순히 링크드 리스트에 참조변수를 하나 더 추가하여 다음 요소에 대한 참조뿐 아니라 이전 요소에 대한 참조가 가능하도록 했을 뿐, 그 외에는 링크드 리스트와 같다.

더블 링크드 리스트는 링크드 리스트보다 각 요소에 대한 접근과 이동이 쉽기 때문에 링크드 리스트보다 더 많이 사용된다.

class Node {
	Node next; // 다음 요소의 주소를 저장
    Node previous; // 이전 요소의 주소를 저장
    Object obj; // 데이터를 저장
}

더블 링크드 리스트의 접근성을 보다 향상시킨 것이 더블 써큘러 링크드 리스트(이중 원형 연결 리스트, doubly circular linked list)인데, 단순히 더블 링크드 리스트의 첫 번째 요소와 마지막 요소를 서로 연결시킨 것이다. 이렇게 하면, 마지막 요소의 다음요소가 첫 번째 요소가 되고, 첫 번째 요소의 이전 요소가 마지막 요소가 된다.

실제로 LinkedList 클래스는 이름과 달리 링크드 리스트가 아닌 더블 링크드 리스트로 구현되어 있는데, 이는 링크드 리스트의 단점인 낮은 접근성(accessability)을 높이기 위한 것이다.

Stack과 Queue

자바에서 제공하는 Stack과 Queue에 대해서 알아보기 이전에 스택(stack)과 큐(queue)의 기본 개념과 특징에 대해 살펴보자.

스택은 마지막에 저장한 데이터를 가장 먼저 꺼내게 되는 LIFO(Last In First Out)구조로 되어 있고, 큐는 처음에 저장한 데이터를 가장 먼저 꺼내게 되는 FIFO(First In First Out)구조로 되어 있다.

그렇다면 스택과 큐를 구현하기 위해선 어떤 컬렉션 클래스를 사용하는 것이 좋을까?
순차적으로 데이터를 추가하고 삭제하는 스택에는 ArrayList와 같은 배열기반의 컬렉션 클래스가 적합하지만, 큐는 데이터를 꺼낼 때 항상 첫 번째 저장된 데이터를 삭제하므로, LinkedList로 구현하는 것이 더 적합하다.

스택과 큐의 활용

스택의 활용 예 - 수식계산, 수식괄호검사, 워드프로세서의 undo/redo, 웹브라우저의 뒤로/앞으로

큐의 활용 예 - 최근사용문서, 인쇄자업 대기목록, 버퍼(buffer)

PriorityQueue

Queue 인터페이스 구현체 중의 하나로, 저장한 순서에 관계없이 우선순위(priority)가 높은 것부터 꺼내게 된다는 특징이 있다. 그리고 null은 저장할 수 없다. null을 저장하면 NullPointerException이 발생한다.

PriorityQueue는 저장공간으로 배열을 사용하며, 각 요소를 힙(heap)이라는 자료구조의 형태로 저장한다. 힙은 잠시 후에 배울 이진 트리의 한 종류로 가장 큰 값이나 가장 작은 값을 빠르게 찾을 수 있다는 특징이 있다.

class Main {
	public static void main(String args[]) {
    	Queue pq = new PriorityQueue();
        pg.offer(3);
        pg.offer(1);
        pg.offer(5);
        pg.offer(4);
        pg.offer(2);
        System.out.println(pq);
        
        Object obj = null;
        
        while((obj == pg.poll()) != null) {
        	System.out.println(obj);
		}
	}
}

실행결과
[1, 2, 3, 4, 5]
1
2
3
4
5

저장순서가 3,1,5,2,4인데도 출력결과는 1,2,3,4,5이다. 우선순위는 숫자가 작을수록 높은 것이므로 1이 가장 먼저 출력된 것이다. 물론 숫자뿐만 아니라 객체를 저장할 수도 있는데 그럴 경우 각 객체의 크기를 비교할 수 있는 방법을 제공해야 한다. 예제에서는 정수를 사용했는데, 컴파일러가 Integer로 오토박싱 해준다. Integer와 같은 Number의 자손들은 자체적으로 숫자를 비교하는 방법을 정의하고 있기 때문에 비교 방법을 지정해 주지 않아도 된다.

Deque(Double-Ended Queue)

Queue의 변형으로, 한 쪽 끝으로만 추가/삭제할 수 있는 Queue와 달리, Deque(덱, 또는 디큐)은 양쪽 끝에 추가/삭제가 가능하다. Deque의 조상은 Queue이며, 구현체로는 ArrayDeque과 LinkedList 등이 있다.

덱은 스택과 큐를 하나로 합쳐놓은 것과 같으며 스택으로 사용할 수도 잇고, 큐로 사용할 수도 있다.

Iterator, ListIterator, Enumeration

Iterator, ListIterator, Enumeration은 모두 컬렉션에 저장된 요소를 접근하는데 사용되는 인터페이스이다. Enumeration은 Iterator의 구버젼이며, ListIterator는 Iterator의 기능을 향상 시킨 것이다.

Iterator

컬렉션 프레임웍에서는 컬렉션에 저장된 요소들을 읽어오는 방법을 표준화하였다. 컬렉션에 저장된 각 요소에 접근하는 기능을 가진 Iterator 인터페이스를 정의하고, Collection 인터페이스에는 Iterator(Iterator를 구현한 클래스의 인스턴스)를 반환하는 iterator()를 정의하고 있다.

public interface Iterator {
	boolean hasNext();
    Object next();
    void remove();
}

public interface Collection {
	...
    public Iterator iterator();
    ...
}

iterator()는 Collection인터페이스에 정의된 메서드이므로 Collection인터페이스의 자손인 List와 Set에도 포함되어 있다. 그래서 List나 Set인터페이스를 구현하는 컬렉션은 iterator()가 각 컬렉션의 특징에 알맞게 작성되어 있다. 컬렉션 클래스에 대해 iterator()를 호출하여 Iterator를 얻은 다음 반복문, 주로 while문을 사용해서 컬렉션 클래스의 요소들을 읽어 올 수 있다.

ArrayList에 저장된 요소들을 출력학 위한 코드는 다음과 같이 작성할 수 있다.

Collection c = new ArrayList(); // 다른 컬렉션으로 변경시 이 부분만 고치면 된다.
Iterator it = c.iterator();

while(it.hasNext()) {
	System.out.println(it.next());
}

ArrayList대신 Collection 인터페이스를 구현한 다른 컬렉션 클래스에 대해서도 이와 동일한 코드를 사용할 수 있다. 첫 줄에서 ArrayList 대신 Collection 인터페이스를 구현한 다른 컬렉션 클래스의 객체를 생성하도록 변경하기만 하면 된다.

Iterator를 이용해서 컬렉션의 요소를 읽어오는 방법을 표준화했기 때문에 이처럼 코드를 재사용성을 높이는 것이 가능한 것이다. 이처럼 공통 인터페이스를 정의해서 표준을 정의하고 구현하여 표준을 따르도록 함으로써 코드의 일관성을 유지하여 재사용성을 극대화하는 것이 객체지향 프로그래밍의 중요한 목적 중의 하나이다.

Map 인터페이스를 구현한 컬렉션 클래스는 키(key)와 값(value)을 쌍(pair)으로 저장하고 있기 때문에 iterator()를 직접 호출할 수 없고, 그 대신 keySet()이나 entrySet()과 같은 메서드를 통해서 키와 값을 각각 따로 Set의 형태로 얻어 온 후에 다시 iterator()를 호출해야 Iterator를 얻을 수 있다.

Map map = new HashMap();
...
Iterator it = map.entrySet().iterator();

ListIterator와 Enumeration

Enumeration은 컬렉션 프레임웍이 만들어지기 이전에 사용하던 것으로 Iterator의 구버젼이라고 생각하면 된다.
ListIterator는 Iterator를 상속받아서 기능을 추가한 것으로, 컬렉션의 요소에 접근할 때 Iterator는 단방향으로만 이동할 수 있는 데 반해 ListIterator는 양방향으로의 이동이 가능하다. 다만 ArrayList나 LinkedList와 같이 List인터페이스를 구현한 컬렉션에서만 사용할 수 있다.

Enumeration Iterator의 구버젼
ListIterator Iterator에 양방향 조회기능추가(List를 구현한 경우만 사용가능)

다음은 Enumeration, Iterator, ListIterator의 메서드에 대한 설명이다. Enumeration과 Iterator는 메서드 이름만 다를 뿐 기능은 같고, ListIterator는 Iterator에 이전방향으로의 접근기능을 추가한 것일 뿐이라는 것을 알 수 있다.

Arrays

배열의 복사 - copyOf(), copyOfRange()

copyOf()는 배열 전체를, copyOfRange()는 배열의 일부를 복사해서 새로운 배열을 만들어 반환한다. 늘 그렇듯이 copyOfRange()에 지정된 범위는 끝은 포함되지 않는다.

int[] arr = {0, 1, 2, 3, 4};
int[] arr2 = Arrays.copyOf(arr, arr.length); // arr2 = [0,1,2,3,4]
int[] arr3 = Arrays.copyOf(arr, 3); // arr3 = [0,1,2]
int[] arr5 = Arrays.copyOfRange(arr, 2, 4); // arr 5 = [2,3]

배열 채우기 - fill(), setAll()

fill()은 배열의 모든 요소를 지정된 값으로 채운다. setAll()은 배열을 채우는데 사용할 함수형 인터페이스를 매개변수로 받는다. 이 메서드를 호출할 때는 함수형 인터페이스를 구현한 객체를 매개변수로 지정하던지 아니면 람다식을 지정해야 한다.

int[] arr = new int[5];
Arrays.fill(arr, 9); // arr = [9,9,9,9,9]
Arrays.setAll(arr, () -> (int) (Math.random()*5)+1); // arr = [1,5,2,1,2]

배열의 정렬과 검색 - sort(), binarySearch()

sort()는 배열을 정렬할 때, 그리고 배열에 저장된 요소를 검색할 때는 binarySearch()를 사용한다. binarySearch()는 배열에서 지정된 값이 저장된 위치(index)를 찾아서 반환하는데, 반ㄴ드시 배열이 정렬된 상태이어야 올바른 결과를 얻는다. 그리고 만일 검색한 값과 일치하는 요소들이 여러 개 있다면, 이 중에서 어떤 것의 위치가 반환될지는 알 수 없다.

int[] arr = {3, 2, 0, 1, 4};
int idx = Arrays.binarySearch(arr, 2); // idx = -5 (잘못된 결과)

Arrays.sort(arr); // 배열을 정렬
System.out.println(Arrays.toString(arr)); // [0, 1, 2, 3, 4]
int idx = Arrays.binarySearch(arr, 2); // idx = 2 (올바른 결과)

배열의 처 번째 요소부터 순서대로 하나씩 검색하는 것을 순차 검색(linear search)이라고 하는데, 이 검색 방법은 배열이 정렬되어 있을 필요는 없지만 배열의 요소를 하나씩 비교하기 때문에 시간이 많이 걸린다. 반면에 이진 검색(binary search)은 배열의 검색할 범위를 반복적으로 절반씩 줄여가면서 검색하기 때문에 검색속도가 상당히 빠르다. 배열의 길이가 10배가 늘어나도 검색 횟수는 3~4회밖에 늘지 않기 때문에 큰 배열의 검색에 유리하다. 단, 배열이 정렬되어 있는 경우만 사용할 수 있다는 단점이 있다.

배열의 비교와 출력 - equals(), toString()

toString() 배열의 모든 요소를 문자열로 편하게 출력할 수 있다. 이미 많이 사용해서 익숙할 것이다. toString()은 일차원 배열에만 사용할 수 있으므로, 다차원 배열에는 deepTo String()을 사용해야 한다. deepToString()은 배열의 모든 요소를 재귀적으로 접근해서 문자열을 구성하므로 2차원뿐만 아니라 3차원 이상의 배열에도 작동한다.

배열을 List로 변환 - asList(Object... a)

asList()는 배열을 List에 담아서 반환한다. 매개변수의 타입이 가변인수라서 배열 생성 없이 저장할 요소들만 나열하는 것도 가능하다.

List list = Arrays.asList(new Integer[]{1,2,3,4,5}); // list = [1,2,3,4,5]
List list = Arrays.asList(1,2,3,4,5); // list = [1,2,3,4,5]
list.add(6); // UnsupportedOperationException 예외 발생

한 가지 주의할 점은 asList()가 반환한 List의 크기를 변경할 수 없다는 것이다. 즉, 추가 또는 삭제가 불가능하다. 저장된 내용은 변경가능하다. 만일 크기를 변경할 수 있는 List가 필요하다면 다음과 같이 하면 된다.

List list = new ArrayList(Arrays.asList(1,2,3,4,5));

parallelXXX(), spliterator(), stream()

이 외에도 parallel로 시작하는 이름의 메서드들이 있는데, 이 메서드들은 보다 빠른 결과를 얻기 위해 여러 쓰레드가 작업을 나누어 처리하도록 한다. spliterator()는 여러 쓰레드가 처리할 수 있게 하나의 작업을 여러 작업으로 나누는 Spliterator를 반환하며, stream()은 컬렉션을 스트림으로 변환한다.

Comparator와 Comparable

이전 예제에서 Arrays.sort()를 호출만 하면 컴퓨터가 알아서 배열을 정렬하는 것처럼 보이지만, 사실은 Character 클래스의 Comparable의 구현에 의해 정렬되었던 것이다. Comparator와 Comparabled은 모두 인터페이스로 컬렉션을 정렬하는데 필요한 메서드를 정의하고 있으며, Comparable을 구현하고 있는 클래스들은 같은 타입의 인스턴스끼리 서로 비교할 수 있는 클래스들, 주로 Integer와 같은 wrapper 클래스와 String, Date, File과 같은 것들이며 기본적으로 오름차순, 즉 작은 값에서부터 큰 값의 순으로 정렬되도록 구현되어 있다. 그래서 Comparable을 구현한 클래스는 정렬이 가능하다는 것을 의미한다.

Comparable - 기본 정렬기준을 구현하는데 사용.
Comparator - 기본 정렬기준 외에 다른 기준으로 정렬하고자할 때 사용

HashSet

HashSet은 Set인터페이스를 구현한 가장 대표적인 컬렉션이며, Set 인터페이스의 특징대로 HashSet은 중복된 요소를 저장하지 않는다.

HashSet에 새로운 요소를 추가할 때는 add메서드나 addAll메서드를 사용하는데, 만일 HashSet에 이미 저장되어 있는 요소와 중복된 요소를 추가하고자 한다면 이 메서드들은 false를 반환함으로써 중복된 요소이기 때문에 추가에 실패했다는 것을 알린다.
이러한 HashSet의 특징을 이용하면, 컬렉션 내의 중복 요소들을 쉽게 제거할 수 있다.

ArrayList와 같이 List인터페이스를 구현한 컬렉션과 달리 HashSet은 저장순서를 유지하지 않으므로 저장순서를 유지하고자 한다면 LinkedHashSet을 사용해야 한다.

class HashSetTest {
	public static void main(String[] args) {
		HashSet set = new HashSet();

		set.add("abc");
		set.add("abc");
		set.add(new Person("David",10));
		set.add(new Person("David",10));

		System.out.println(set);
	}
}


class Person {
	String name;
	int age;

	Person(String name, int age) {
		this.name = name;
		this.age = age;
	}

	public String toString() {
		return name +":"+ age;
	}
}

실행결과
[abc], David:10, David:10]

Person클래스는 name과 age를 멤버변수로 갖는다. 이름(name)과 나이(age)가 같으면 같은 사람으로 인식하도록 하려는 의도로 작성하였다. 하지만 실행결과를 보면 두 인스턴스의 name과 age의 값이 같음에도 불구하고 서로 다른 것으로 인식하여 David:10이 두 번 출력되었다.

이 두 인스턴스를 같은 것으로 인식하게 하려면 어떻게 해야 할까? 아래 예제를 살펴보자.

class HashSetTest {
	public static void main(String[] args) {
		HashSet set = new HashSet();

		set.add("abc");
		set.add("abc");
		set.add(new Person("David",10));
		set.add(new Person("David",10));

		System.out.println(set);
	}
}


class Person {
	String name;
	int age;

	@Override
	public int hashCode() {
		return Objects.hash(name, age);
	}

	@Override
	public boolean equals(Object obj) {
		if(!(obj instanceof Person)) return false;
		
		Person p = (Person)obj;
		return this.name.equals(p.name) && this.age == p.age;
	}
	

	Person(String name, int age) {
		this.name = name;
		this.age = age;
	}

	public String toString() {
		return name +":"+ age;
	}
}

실행결과
[abc, David:10]

HashSet의 add메서드는 새로운 요소를 추가하기 전에 기존에 저장된 요소와 같은 것인지 판별하기 위해 추가하려는 요소의 equals()와 hashCode()를 호출하기 떄문에 equals()와 hashCode()를 호출하기 때문에 equals()와 hashCode()를 목적에 맞게 오버라이딩해야 한다.

그래서 String클레스에서 같은 내용의 문자열에 대한 equals()의 호출결과가 true인 것과 같이, Person 클래스에서도 두 인스턴스의 name과 age가 서로 같으면 true를 반환하도록 equals()를 오버라이딩했다. 그리고 hashCode()는 String클래스의 hashCode()를 이용해서 구현했다. String클래스의 hashCode()는 잘 구현되어 있기 때문에 이를 활용하면 간단히 처리할 수 있다.

public int hashCode() {
	return (name + age).hashCode();
}

jdk 1.8 이후부턴 아래 코드를 사용하자

public int hashCode() {
	return Objects.haash(name, age); // int hash(Object ... values)
}

오버라이딩을 통해 작성된 hashCode()는 다음 3가지 조건을 만족해야 한다.

1. 실행 중인 애플리케이션 내의 동일한 객체에 대해서 여러 번 hashCode()를 호출해도 동일한 int값을 반환해야한다. 하지만, 실행시마다 동일한 int값을 반환할 필요는 없다. (단, equals메서드의 구현에 사용된 멤버변수의 값이 바뀌지 않았다고 가정한다.)

2. equals 메서드를 이용한 비교에 의해서 true를 얻은 두 객체에 대해 각각 hashCode()를 호출해서 얻은 결과는 반드시 같아야 한다.

Person p1 = new Person("David", 10);
Person p2 = new Person("David", 10);

boolean b = p1.equals(p2);

int hasCode1 = p1.hashCode();
int hasCode2 = p2.hashCode();

3. equals메서드를 호출했을 때 false를 반환하는 두 객체 hashCode() 호출에 대해 같은 int값을 반환하는 경우가 있어도 괜찮지만, 해싱(hashing)을 사용하는 컬렉션의 성능을 향상시키기 위해서는 다른 int값을 반환하는 것이 좋다.

위의 코드에서 equals()의 결과가 false일지라도 hashCode1과 hashCode2의 값이 같은 경우가 발생하는 것을 허용한다. 하지만 해시코드를 이용하는 HashTable이나 HashMap과 같은 컬렉션의 성능을 높이기 위해서는 가능한 한 서로 다른 값을 반환하도록 hashCode()를 잘 작성해야 한다.

TreeSet

TreeSet은 이진 검색 트리(binary search tree)라는 자료구조의 형태로 데이터를 저장하는 컬렉션 클래스이다. 이진 검색 트리는 정렬, 검색, 범위검색(range search)에 높은 성능을 보이는 자료구조이며 TreeSet은 이진 검색 트리의 성능을 향상시킨 레드-블랙 트리(Red-Black tree)로 구현되어 있다.

그리고 Set인터페이스를 구현했으므로 중복된 데이터의 저장을 허용하지 않으며 정렬된 위치에 저장하므로 저장순서를 유지하지도 않는다.

이진 트리는(binary tree)는 링크드리스트처럼 여러 개의 노드(node)가 서로 연결된 구조로, 각 노드에 최대 2개의 노드를 연결할 수 있으며 루트(root)라고 불리는 하나의 노드에서부터 시작해서 계속 확장해 나갈 수 있다.

이진 트리의 노드를 코드로 표현하면 다음과 같다.

class TreeNode {
	TreeNode left; // 왼쪽 자식노드
    Object element; // 객체를 저장하기 위한 참조변수
    TreeNode right; // 오른쪽 자식노드
}

데이터를 저장하기 위한 Object타입의 참조변수 하나와 두 개의 노드를 참조하기 위한 두 개의 참조변수를 선언했다.

이진 검색 트리(binary search tree)는 부모노드의 왼쪽에는 부모노드의 값보다 작은 값의 자식노드를 오른쪽에는 큰 값의 자식노드를 저장하는 이진 트리이다.

예를 들어 이진검색트리에 7,4,9,1,5의 순서로 값을 저장한다고 가정하면 다음과 같은 순서로 진행된다.

이진 검색 트리는

• 모든 노드는 최대 두 개의 자식노드를 가질 수 있다.
• 왼쪽 자식노드의 값은 부모노드의 값보다 작고 오른쪽자식노드의 값은 부모노드의 값보다 커야한다.
• 노드의 추가 삭제에 시간이 걸린다. (순차적으로 저장하지 않으므로)
• 검색(범위검색)과 정렬에 유리하다.
• 중복된 값을 저장하지 못한다.

HashMap과 HashTable

HashTable과 HashMap의 관계는 Vector와 ArrayList의 관계와 같아서 HashTable보다는 새로운 버전인 HashMap을 사용할 것을 권한다.
HashMap은 Map을 구현했으므로 앞에서 살펴본 Map의 특징, 키(key)와 값(value)을 묶어서 하나의 데이터(entry)로 저장한다는 특징을 갖는다. 그리고 해싱(hashing)을 사용하기 때문에 많은 양의 데이터를 검색하는데 있어서 뛰어난 성능을 보인다.

HashMap은 Entry라는 내부 클래스를 정의하고, 다시 Entry 타입의 배열을 선언하고 있다. 키(key)와 값(value)은 별개의 값이 아니라 서로 관련된 값이기 때문에 각각의 배열로 선언하기 보다는 하나의 클래스로 정의해서 하나의 배열로 다루는 것이 데이터의 무결성(integrity)적인 측면에서 더 바람직하기 때문이다.

Object[] key; 
Object[] value;

Entry[] table; 
Class Entry { 
   Object key; 
   Object value;
}

HashMap은 키와 값을 각각 Object타입으로 저장한다. 즉 (Object, Object)의 형태로 저장하기 때문에 어떠한 객체도 저장할 수 있지만 키는 주로 String을 대문자 또는 소문자로 통일해서 사용하곤 한다.

키(key) - 컬렉션 내의 키(key) 중에서 유일해야 한다.
값(value) - 키(key)와 달리 데이터의 중복을 허용한다.

해싱과 해시함수

해싱이란 해시함수(hash function)를 이용해서 데이터를 해시테이블(hash table)에 저장하고 검색하는 기법을 말한다. 해시함수는 데이터가 저장되어 있는 곳을 알려주기 때문에 다량의 데이터 중에서도 원하는 데이터를 빠르게 찾을 수 있다.

해싱을 구현한 컬렉션 클래스로는 HashSet, HashMap, Hashtable 등이 있다. Hashtable은 컬렉션 프레임웍이 도입되면서 HashMap으로 대체되었으나 이전 소스와의 호환성 문제로 남겨 두고 있다. 가능하면 Hashtable 대신 HashMap을 사용하도록 하자.

해싱에서 사용하는 자료구조는 다음과 같이 배열과 링크드 리스트의 조합으로 되어 있다.

저장할 데이터의 키를 해시함수에 넣으면 배열의 한 요소를 얻게 되고, 다시 그 곳에 연결되어 있는 링크드 리스트에 저장하게 된다.

1. 검색하고자 하는 값의 키로 해시함수를 호출한다.
2. 해시함수의 계산결과(해시코드)로 해당 값이 저장되어 있는 링크드 리스트를 찾는다.
3. 링크드 리스트에서 검색한 키와 일치하는 데이터를 찾는다.

이미 배운 바와 같이 링크드 리스트는 검색에 불리한 자료구조이기 때문에 링크드 리스트의 크기가 커질수록 검색속도가 떨어지게 된다.
  반면에 배열은 배열의 크기가 커져도, 원하는 요소가 몇 번째에 있는 지만 알면 아래의 공식에 의해서 빠르게 원하는 값을 찾을 수 있다.

배열의 인덱스가 n인 요소의 주소 = 배열의 시작주소 + type의 size * n

그래서 실생활에서 맞지 않지만, 하나의 서랍(링크드 리스트)에 많은 데이터가 저장되어 있는 형태보다는 많은 서랍(링크드 리스트)에 하나의 데이터만 저장되어 있는 형태가 더 빠른 검색 결과를 얻을 수 있다.

하나의 링크드 리스트(서랍)에 최소한의 데이터만 저장되려면, 저장될 데이터의 크기를 고려해서 HashMap의 크기를 적절하게 지정해주어야 하고, 해시함수가 서로 다른 키(주민번호)에 대해서 중복된 해시코드(서랍위치)의 반환을 최소화해야 한다. 그래야 HashMap에서 빠른 검색시간을 얻을 수 있다.

그래서 해싱을 구현하는 과정에서 제일 중요한 것은 해시함수의 알고리즘이며, 이 예에서 사용된 해시함수의 알고리즘은 주어진 키(주민번호)의 첫 번째 문자를 뽑아서 정수로 반환하기만 하면 되므로 아래와 같이 코드로 표현할 수 있다.

int hashFunction(String key) {
	return Integer.parseInt(key.substring(0, 1);
}

실제로는 HahMap과 같이 해싱을 구현한 컬렉션 클래스에서는 Object클래스에 정의된 hashCode()를 해시함수로 사용한다. Object클래스에 정의된 hashCode()는 객체의 주소를 이용하는 알고리즘으로 해시코드를 만들어 내기 때문에 모든 객체에 대해 hashCode()를 호출한 결과가 서로 유일한 방법이다.

String 클래스의 경우 Object로부터 상속받은 hashCode()를 오버라이딩해서 문자열의 내용으로 해시코드를 만들어 낸다. 그래서 서로 다른 String인스턴스일지라도 같은 내용의 문자열을 가졌다면 hashCode()를 호출하면 같은 해시코드를 얻는다.
  HashSet에서 이미 설명했던 것과 같이 서로 다른 두 객체에 대해 equals()로 비교한 결과가 true인 동시에 hashCode()의 반환값이 같아야 같은 객체로 인식한다. HashMap에서도 같은 방법을 객체를 구별하며, 이미 존재하는 키에 대한 값을 저장하면 기존의 값을 새로운 값으로 덮어쓴다.
그래서 새로운 클래스를 정의할 때 eqauls()를 재정의오버라이딩해야 한다면 hashCode()도 같이 재정의해서 equals()의 결과가 true인 두 객체의 해시코드 hashCode()의 결과 값이 항상 같도록 해주어야 한다.
  그렇지 않으면 HashMap과 같이 해싱을 구현한 컬렉션 클래스에서는 eqauls() 호출결과만 true이지만 해시코드가 다른 두 객체를 서로 다른 것으로 인식하고 따로 저장할 것이다.

TreeMap

TreeMap은 이름에서 알 수 있듯이 이진검색트리의 형태로 키와 값의 쌍으로 이루어진 데이터를 저장한다. 그래서 검색과 정렬에 적합한 컬렉션 클래스이다.

이진 검색 트리와 Map에 대해서는 이미 충분히 설명했기 때문에 더 이상의 설명을 필요 없으리라 생각한다. 한가지 설명할 것이 있다면 HashMap과 TreeMap의 검색성능에 관한 것인데, 검색에 관한 대부분의 경우에는 HashMap이 TreeMap보다 더 뛰어나므로 HashMap을 사용하는 것이 좋다. 다만 범위검색이나 정렬이 필요한 경우에는 TreeMap을 사용하자.

Properties

Properties는 HashMap의 구 버전인 Hashtable을 상속받아 구현한 것으로, Hashtable은 키와 값을 (Object, Object)의 형태로 저장하는데 비해 Properties는 (String, String)의 형태로 저장하여 보다 단순화된 컬렉션클래스이다.

주로 애플리케이션의 환경설정과 관련된 속성(property)을 저장하는데 사용되며 데이터를 파일로부터 읽고 쓰는 편리한 기능을 제공한다. 그래서 간단한 입출력은 Properties를 활용하면 몇 줄의 코드로 쉽게 해결될 수 있다.

Collections

Arrays가 배열과 관련된 메서드를 제공하는 것처럼, Collections는 컬렉션과 관련된 메서드를 제공한다. fill(), copy(), sort(), binarySearch() 등의 메서드는 두 클래스에 모두 포함되어 있으며 같은 기능을 한다.

컬렉션과 동기화

멀티 쓰레드(multi-thread) 프로그래밍에서는 하나의 객체를 여러 쓰레드가 동시에 접근할 수 있기 때문에 데이터의 일관성(consistency)을 유지하기 위해서는 공유되는 객체에 동기화(synchronization)가 필요하다.

Vector와 Hashtable과 같은 구버젼의 클래스들은 자체적으로 동기화 처리가 되어 있는데, 멀티쓰레드 프로그래밍이 아닌 경우에는 불필요한 기능이 되어 성능을 떨어뜨리는 요인이 된다.

그래서 새로 추가한 ArrayList와 HashMap과 같은 컬렉션은 동기화를 자체적으로 처리하지 않고 필요한 경우에만 java.util.Collections 클래스의 동기화 메서드를 이용해서 동기화 처리가 가능하도록 변경하였다.

static Collection synchronizedCollection(Collection c)
static List synchronizedList (List list)
static Set synchronizedSet (Set s)
static Map synchronizedMap (Map m)
static SortedSet synchronizedSortedSet (SortedSet s)
static SortedMap synchronizedSortedMap (SortedMap m)

이 들을 사용하는 방법은 다음과 같다.

List syncList = Collections.synchronizedList(new ArrayList(...));

변경불가 컬렉션 만들기

컬렉션에 저장된 데이터를 보호하기 위해서 컬렉션을 변경할 수 없게, 즉 읽기 전용으로 만들어야할 때가 있다. 주로 멀티 쓰레드 프로그래밍에서 여러 쓰레드가 하나의 컬렉션을 공유하다보면 데이터가 손상될 수도 있는데 이를 방지하려면 아래의 메서드를 이용하자.

static Collection unmodifiableCollection(Collection c)
static List unmodifiableList(List list)
static Set unmodifiableSet(Set s)
static Map unmodifiableMap(Map m)
static NavigableSet unmodifiableNavigableSet(NavigableSet s)
static SortedSet unmodifiableSortedSet(SortedSet s)
static NavigableMap unmodifiableNavigableMap(NavigableMap m)
static SortedMap unmodifiableSortedMap(SortedMap m)

싱글톤 컬렉션 만들기

단 하나의 객체만을 저장하는 컬렉션을 만들고 싶을 경우가 있다. 이럴 때는 아래의 메서드를 사용하면 된다.

static List singletonList(Object o)
static Set singleton(Object o) // singletonSet이 아님
static Map singleton(Object key, Object value)

매개변수로 저장할 요소를 지정하면, 해당 요소를 저장하는 컬렉션을 반환한다. 그리고 반환된 컬렉션은 변경할 수 없다.

한 종류의 객체만 저장하는 컬렉션 만들기

컬렉션에 모든 종류의 객체를 저장할 수 있다는 것은 장점이기도하고 단점이기도 하다. 대부분의 경우 ㅎ한 종류의 객체를 저장하며, 컬렉션에 지정된 종류의 객체만 저장할 수 있도록 제한하고 싶을 때 아래의 메서드를 사용한다.

static Collection checkedCollection(Collection c, Class type)
static List checkedList(List list, Class type)
static Set checkedSet(Set s, Class type)
static Map checkedMap(Map m, Class keyType, Class valueType)
static Queue checkedQueue(Queue queue, Class type)
static NavigableSet checkedNavigableSet(NavigableSet s, Class type)
static SortedSet checkedSortedSet(SortedSet s, Class type)
static NavigableMap checkedNavigableMap(NavigableMap m, Class keyType, Class valueType)
static SortedMap checkedSortedMap(SortedMap m, Class keyType, Class valueType)

사용방법은 다음과 같이 두 번째 매개변수에 저장할 객체의 클래스를 지정하면 된다.

List list = new ArrayList();
List checkedList = checkedList(list, String.class); // String만 저장가능
checkedList.add("abc"); // ok
checkedList.add(new Integer(3)); // 에러. ClassCastExcetpion 발생

컬렉션에 저장할 요소의 타입을 제한하는 것은 다음 장에서 배울 지네릭스(generics)로 간단히 처리할 수 있는데도 이런 메서드들을 제공하는 이유는 호환성 때문이다.

컬렉션 클래스 정리 & 요약

지금까지 소개한 컬렉션 클래스의 특징과 관계를 그림으로 보자.