[Effective Java] 왜 EnumSet 과 EnumMap 을 사용해야 하는가

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백기선님의 [Effective Java] 강의를 수강하는 중 여러 개의 Enum 객체를 가지거나 Enum 객체를 Key 로 가지는 경우 왜 EnumMap 이나 EnumSet 을 쓰는 것이 다른 Map / Set 구현체를 사용하는 것보다 효율적인지에 대해 학습하는 과제를 받았다. 이번 시간에는 이들이 동작하는 방식과 그에 대한 차이점 및 얻을 수 있는 이점에 대해서 살펴보려고 한다.

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왜 열거 타입을 사용해야 할까?

Java 1.5 버전 이전에는 자주 사용하는 상수를 int 타입으로 정의하여 사용했다. 이를 정수 열거 패턴이라고 한다. 과거의 방식처럼 int 를 이용해 상수를 열거하는 경우 다음과 같은 문제를 야기할 수 있다.

1. 컴파일 타임에서 타입 안전성을 보장할 수 없다.
2. Name Space 를 가질 수 없기 때문에 동일한 이름에 대해서 접두사를 추가해 혼란을 피해야 하며, 가독성을 떨어트린다.
3. 의미가 서로 다른 상수라도 동등 비교 연산 시, 해당 상수의 정수값이 같은 경우 True 를 반환하고 컴파일러는 아무런 경고 메세지를 출력하지 않아 개발자가 부여한 의미, 의도와는 다르게 작동할 수 있다.

이러한 정수 열거 패턴의 단점은 Java 1.5 부터 등장한 Enum 을 이용하면 해결할 수 있다.
C, CPP 등과 같은 언어와 비슷하지만 최종적으로는 참조 타입(하나의 클래스) 이기 때문에 훨씬 더 강력하다. Enum 에 각 역할에 맞는 멤버 속성을 추가하거나 역할에 맞는 메소드를 정의해 열거 타입 별로 부여된 그 의미에 대한 책음을 온전히 다할 수 있다.

Java 의 Enum 은 상수 하나당 자신의 인스턴스를 하나씩 만들어 public static final 필드로 공개하고, 외부에서 접근할 수 있는 생성자를 제공하지 않기 때문에 사실상 final 의 의미를 가진다. 즉, JVM 상에서 Enum 은 단 하나만 존재하는 것이다. 그렇기 때문에 Singleton 패턴은 원소가 하나인 열거 타입이라고 할 수 있으며, 혹은 열거 타입은 Singleton 을 일반화한 형태라고 할 수 있다.

또한, Enum 은 앞서 말한 것과 같이 하나의 클래스이기 때문에 컴파일타임 타입 안전성을 제공한다.
때문에 기존의 정수 열거 패턴을 이용하면 컴파일타임에서 체크하지 못해 다른 의미의 상수더라도 그대로 값이 반환되었다면, Enum 의 정해진 EnumType 만 반환할 수 있기에 다른 타입의 Enum 을 넘기려고 하는 경우 컴파일 에러가 발생한다.

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왜 EnumSet 과 EnumMap 을 사용해야 할까?

EnumSet?

EnumSet 은 universe 라는 Enum 배열을 멤버 속성으로 가지고, universe 의 length() 반환값을 기준으로 RegularEnumSet 혹은 JumboEnumSet 으로 분기 처리하여 구현체를 반환한다. 왜 굳이 universe 의 length() 를 기준으로, 64 라는 특정적인 값을 기준으로 해서 구현체를 나누어 반환하는걸까?

RegularEnumSet 은 long 의 bit 범위를 기준으로 표현할 수 있는 경우에 사용되고, JumboEnumSet 은 long 의 bit 범위를 초과하는 경우에 사용된다. 그래서 RegularEnumSet 과 JumboEnumSet 의 elements 멤버 속성은 각각 long 과 long[] 로 다르다.

이 때, EnumSet 의 구현체들은 왜 long 타입을 이용하는걸까?
이는 비트 연산을 사용하기 위함으로 Enum 의 위치를 비트로 나타냄으로써 해당 비트 위치에 Enum 의 존재 여부를 굉장히 빠르게 파악할 수 있기 때문이다. 다만 universe 로 들어온 데이터의 개수(저장할 데이터의 수) 가 아닌 해당 Enum 에 정의된 상수의 개수를 바탕으로 elements 를 고려한다.

위와 같은 방법으로 데이터를 저장하기 때문에 EnumSet 은 산술 비트 연산을 이용해 구현되어 있다.
산술 비트 연산은 일정 시간 내에 실행되기 때문에 매우 빠르게 연산을 처리할 수 있으며, 이로 인해 Set 의 다른 구현체들과 달리 더 빠르게 데이터의 위치를 파악할 수 있으며 별도로 hashCode 를 사용하지 않아도 되는 장점이 있다.

이러한 특징으로 인해 EnumSet 이 메모리를 차지하는 비율이 적어 굉장히 압축적이면서 효율적이기 때문에 여러 Enum 데이터를 저장해야 하는 경우, Set 의 구현체를 이용하는 것보다 EnumSet 을 이용하는 것을 먼저 고려해야 한다.

EnumMap?

그렇다면 Enum 을 Key 로 가지는 Map 객체를 고려할 때 왜 EnumMap 구현체를 사용하는 것이 더 효율적일까?
그 이유는 바로 EnumMap 은 Key 와 Value 가 배열로 정의되어 있기 때문이다.

HashMap 클래스를 살펴보더라도 HashMap 은 EnumMap 과는 달리 Node 라는 Inner Class 를 구현하고 이를 멤버 속성으로 사용하고 있다. 이는 궁극적으로 메모리를 사용하는 데에 있어서 EnumMap 이 훨씬 유리하다.

배열을 멤버 속성으로 사용하는 EnumMap 의 경우 Enum 내부에 정의된 상수의 개수만큼 Key 와 Value 의 길이를 정의하기 때문에 별도로 객체의 크기를 리사이징 할 필요가 없지만(배열이 선언되면서 메모리에 할당되는 크기를 제한한다.), HashMap 의 경우 초기화된 길이를 초과하는 경우 객체의 크기를 재정의 하면서 메모리 리소스를 많이 소모하게 된다. 

또한, HashMap 은 각 노드마다 HashCode 를 부여하여 데이터의 해시 충돌을 방어해야 하지만, EnumMap 은 Key 가 애초에 메모리 상에 하나만 존재하기 때문에 이러한 작업을 수행할 필요가 없다.

이러한 성능 상 이점 때문에 Key 를 Enum 으로 받는 경우 EnumMap 구현체를 꼭 고려하여 프로그램을 설계하는 것이 좋다.

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마무리하며

업무 중에 @Converter 를 이용해 DB 에서 가지고 오는 데이터를 EnumSet / EnumMap 으로 바인딩하는 작업이 필요하게 되면서 우연히 EnumSet / EnumMap 에 대해서 알게 되었는데, 당시에는 왜 굳이 이러한 구현체를 써야 하는지 알지도, 알려고도 하지 않았다.

사용해야 하는 이유도 모른 채 그냥 코드 복사 / 붙여넣기만 하던 과거의 나를 반성하며, 어떠한 이유와 의미를 가지고 코드를 작성하는지 깊이 생각해야겠구나 느낀 시간이었다. 앞으로 더 고군분투할 수 있기를!

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참고자료

Using Bit Flags and EnumSets in Java · Edd Mann

[JAVA] EnumMap 을 사용합시다.

백기선님 온라인 스터디 11주차-Enum

Enum (Java SE 11 & JDK 11 )