JAVA) 자바에서는 Call By Reference가 불가능 합니다.

Intro

사실 자바를 처음 배우고나서 최근까지도 함수를 호출 하여 파라미터가 전달 될 때에 primitive 타입인 경우에는 value가, 그 외에는 reference가 전달 된다 라고 알고 있었습니다.

자바에서의 Primitive 데이터 타입들

• byte
• short
• int
• long
• float
• double
• boolean
• char

String의 경우에만 String pool을 통해 immutable로 관리되기 때문에 primitive가 아님에도 call by reference가 되지 않지만

Java) String의 Immutable이 의미하는 것

그 외에는 reference가 넘어간다고 알고 있었는데요

그 개념 하에서는 LinkedNode 나 Trie 등을 다루는 메서드를 짤 때 마다 뭔가 생각한 대로 동작하지 않아서 정말 애를 많이 먹고는 했는데 얼마전 자세히 찾아보니 사실 자바에서는 Call by Reference가 불가능하다 라는 충격적인 결과를 듣게 되었습니다.

https://stackoverflow.com/questions/6029012/how-to-do-call-by-reference-in-java

지금까지 이해하고 있던 개념과 상충되기 때문에 코드를 몇가지 작성 해 보며 테스트를 해 보았고 이제는 그 사실을 받아들일 수 밖에 없었습니다.

자바는 어느 예외도 없이 파라미터를 항상 pass by value 로 전달합니다.

Test

테스트 코드 작성을 통해 실제 자바에서 Parameter에 Argument를 전달하는 방식을 확인 해 보겠습니다.

changeMac()

저는 m1 맥북 에어를 사용 하고 있습니다.

처음에 구입 했을때에는 정말 빠릿빠릿하고 쾌적하다고 느꼈지만 8GB 램으로 인한 만성 메모리 부족과 쿨러가 없기 때문에 과한 작업을 했을 때에는 스로틀링이 걸리는 문제로 불만을 호소하던 중 언제부턴가 최신의 맥북 프로가 눈에 아른거리기 시작했습니다.

그래서 새로운 맥북을 위해 맥북을 바꿔치기 하는 changeMac() 메서드를 만들었습니다.

Mac.java

class Mac {
  private final String name;
  private final String processor;
  private int screenSize;
  private int ramSize;

  public Mac(String name, String processor, int screenSize, int ramSize) {
    this.name = name;
    this.processor = processor;
    this.screenSize = screenSize;
    this.ramSize = ramSize;
  }

  @Override
  public String toString() {
    return "Mac{" +
      "name='" + name + '\'' +
      ", processor='" + processor + '\'' +
      ", screenSize=" + screenSize +
      ", ramSize=" + ramSize + "GB" +
      '}';
  }
}

Mac 클래스 입니다. 이름, 프로세서, 스크린 사이즈, 램 크기를 프로퍼티로 가지고 있는 클래스 입니다.

getter & setter 는 생략했습니다.

changeMac()

private void changeMac(Mac myMac, Mac newMac) {
  myMac = newMac;
}

저의 맥북을 감쪽같이 새 맥북으로 바꿔줄 changeMac 메서드 입니다.

이제 맥북을 새걸로 바꿔 줄 모든 준비가 끝이 났으니 바로 테스트 코드를 작성해 새 맥북으로 바꿔 봅니다.

@Test
public void changeMacTest() {
    Mac myMac = new Mac("Macbook Air", "m1", 13, 8);
    Mac macBookPro14 = new Mac("Macbook Pro", "m1 max", 14, 32);

    changeMac(myMac, macBookPro14);
    assertThat(myMac).isEqualTo(macBookPro14);
}

제 맥북의 이름은 Macbook Air. m1 프로세서를 가지고 있으며 13인치 디스플레이와 8GB 램을 가지고 있습니다.

반면 macBookPro14 는 14인치의 사이즈에 무려 32GB의 램을 가지고 있는 매력적인 제품 인데요.. changeMac()을 통해 제 맥북을 newMac으로 변경 하고 최종적으로 myMac이 변경 되었지는 확인해 보는 테스트 코드를 작성 해 보았습니다.

기대하는대로 새로운 맥북이 할당 되었을까요?

실행 결과

애석하게도 changeMac() 메서드 후에도 여전히 myMac은 m1 프로세서와 8GB의 램을 가진 맥북 에어 그대로의 상태 입니다.

print 메서드를 이용해 changeMac 전과 후의 각각의 맥북의 상태를 확인 해 보았습니다.

@Test
public void changeMacTest() {
  Mac myMac = new Mac("Macbook Air", "m1", 13, 8);
  Mac macBookPro14 = new Mac("Macbook Pro", "m1 max", 14, 32);

  System.out.println("==BEFORE==");
  System.out.println("myMac = " + myMac);
  System.out.println("macBookPro14 = " + macBookPro14);
  changeMac(myMac, macBookPro14);

  System.out.println("==AFTER==");
  System.out.println("myMac = " + myMac);
  System.out.println("macBookPro14 = " + macBookPro14);
  assertThat(myMac).isEqualTo(macBookPro14);
}

실행 결과

그 결과 myMac도 macBookPro14도 실행 전 후 아무런 변화가 없었음을 알 수 있습니다.

그렇다면 제 맥북은 이렇게 평생 8GB의 m1 프로세서로 남아있어야 하는 걸까요?

upgradeRam()

다른건 다 참아도 램이 부족한건 못참겠습니다. 이제 한발 양보해 램 용량이라고 구걸 해 보려고 합니다.

이번에는 upgradeRam 메서드를 조심 스럽게 작성 해 보았습니다.

사실 공식적으로 Apple Silicon 제품은 메모리가 Unified Memory Architecture로 칩셋에 통합되어 있어 사후 업그레이드가 불가능합니다.

upgradeRam()

private void upgradeRam(Mac mac, int size) {
  mac.setRamSize(size);
}

테스트 코드를 작성 하고

@Test
public void upgradeRamTest() {
  Mac myMac = new Mac("Macbook Air", "m1", 13, 8);
  upgradeRam(myMac, 32);
  assertThat(myMac.getRamSize()).isEqualTo(32);
  System.out.println("myMac = " + myMac);
}

changeMac도 안됐는데 메모리는 업그레이드가 되겠어.. 하며 혹시나 하는 기대감에 실행 해 봅니다.

실행 결과

앗. 실제 myMac의 메모리가 32GB로 업그레이드 되었습니다. 도대체 아까와는 어떤 차이가 있는 것 일까요?

이를 이해하기 위해서는 먼저 자바에서 parameter에 값을 전달하는 방식을 이해해야 합니다.

Parameter에 값 전달

자바에서는 Pass-by-Value 로 argument를 parameter로 전달 합니다. parameter로 전달 된 건 실제 오리지널이 아닌, 복사된 값 입니다.

그렇기 때문에 호출된 메서드내에서 어떠한 변경이 이루어져도, 해당 메서드를 호출한 caller method 내 에서의 원본 파라미터들에는 어떠한 영향도 주지 않습니다. changeMac 메서드에서 파라미터인 myMac은 원본이 전달 된 것 처럼 보일지라도 실제로 전달된 것은 caller의 myMac의 복사 값 이라는 것이죠.

지금부터는 특정한 메서드를 호출한 상황에 호출 된 메서드를 callee, 호출 한 메서드를 caller라고 하겠습니다.

위에서의 경우에는 changeMac() 메서드가 callee, public void changeMacTest() 메서드가 caller 입니다.

여기까지 이야기 했을때는 머리속에 혼동이 오거나, 방금 말한 내용에 오류가 있을 거라고 느끼는 분들이 많을 거라고 생각 합니다.

왜냐면 뒤에서 실행한 upgradeRam() 메서드는 기대한 대로 작동했기 때문이죠.

아니, 어떠한 영향도 주지 못한다면서? 램이 바뀌었는데 무슨 소리야.

자바에서는 메서드 호출이 이루어질 때 각각의 argument 는 그게 value 이거나 reference든 그 여부에 상관 없이 각각의 복사본을 스택 메모리에 생성 한 뒤에 이걸 해당 메서드에 전달 합니다.

• primitive 타입이라면 간단하게 그 값(value)이 stack memory에 복사되고 callee 메서드에 그대로 전달됩니다.

• 그 외에 경우에는 스택메모리의 reference는 힙 메모리상의 실제 데이터를 가리키고 있는데요, callee 메서드에 객체를 전달 할 때에는 스택메모리에 있는 레퍼런스의 복사본이 생성되고, 그 복사본이 메서드로 전달됩니다.

그렇기 때문에 upgradeRam 메서드 내에서의 mac 은 myMac 과 같은 객체를 참조하고 있지만 실제로 서로 완전 동일한 건 아닌겁니다.

upgradeRam

test 메서드 내의 myMac과 upgradeRam 메서드에서의 mac 은 Heap 메모리상의 같은 Mac 을 참조하고 있습니다.

그럼에도 같은 Mac을 바라 보고 있기 때문에, upgradeRam 메서드 내부에서 mac.setRamSize() 메서드를 호출 했을 때에는 원본 [Macbook Air] 의 setRamSize 메서드가 호출 되어 램 사이즈가 변경 되며, 추후 myMac에서 램 사이즈를 확인해도 원본 데이터가 변경 되었기 때문에 램 용량이 늘어 난 것을 확인 할 수 있는 것 입니다.

changeMac

이제 전혀 다른 경우인 changeMac에서의 그림을 확인 해 보겠습니다.

changeMac 이 호출된 시점의 myMac과 newMac의 상태

changeMac 메서드가 호출 된 시점에는 caller(changeMacTest) 의 myMac과 callee(changeMac)의 myMac은 맥북 에어를, caller의 macBookPro14과 callee의 newMac은 맥북 프로를 각각 참조하고 있는데요.

여기에서 myMac = newMac; 을 할당 한 후 해당 메서드는 바로 종료됩니다.

이제 종료 시점의 그림을 확인 해 본다면

메서드 종료 시점의 상태

changeMac 메서드 내부에서 myMac은 newMac과 동일하게 맥북 프로를 참조하게 변경 되었습니다만..

사실 caller 입장에서 보면 changeMac은 아무 일도 하지 않은 셈 입니다. 내부에서 무슨 일이 있어났건간에 밖에서 볼땐 아무 변화가 없거든요.

caller의 myMac은 여전히 맥북 에어를 가리키고 있습니다. 뭐, 서로의 입장 차가 있으니 양쪽 다 억울 할 수 있겠네요.

changeMacAndChangeRam

changeMac 안에서의 myMac을 아무리 지지고 볶고 한다고 해도 caller의 myMac이 바라보고 있는 맥북에어의 램을 변경하고 스크린 사이즈도 변경할 수 있을 지언정 caller의 myMac을 맥북프로로 바꿀수 없습니다.

name이 에어와 프로를 가르는 기준이며 변경 불가능하다는 전제를 위해 name을 private final로 immutable 하게 만들었습니다.

이처럼 파라미터로 받은 객체의 원본이 다른 객체를 참조 하게 바꾸는건 절대 불가능 합니다.

intellij IDEA도 그걸 알고 있기 때문에 새로 할당한 myMac은 쓰이지 않아서 회색 표시를 하고 있으며

파라미터에서의 myMac은 전달된 값을 전혀 사용하지 않았기 때문에 회색 표시를 하고 있습니다.

오히려 myMac = newMac; 이후에 myMac의 프로퍼티를 변경하려 든다면. 내가 가지고 있는건 처음의 맥북 에어 그대로인데, 엉뚱한 남의 맥북 프로의 램만 변경되는 상황이 올 수 있습니다.

private void changeMacAndChangeRam(Mac myMac, Mac newMac, int ramSize) {
  myMac = newMac;
  myMac.setRamSize(ramSize);
}

@Test
public void changeMacAndChangeRamTest() {
  Mac myMac = new Mac("Macbook Air", "m1", 13, 8);
  Mac macBookPro14 = new Mac("Macbook Pro", "m1 max", 14, 32);

  System.out.println("==BEFORE==");
  System.out.println("myMac = " + myMac);
  System.out.println("macBookPro14 = " + macBookPro14);
  changeMacAndChangeRam(myMac, macBookPro14, 4);

  System.out.println("==AFTER==");
  System.out.println("myMac = " + myMac);
  System.out.println("macBookPro14 = " + macBookPro14);
}

실행시 myMac은 처음 그대로인데 macBookPro14의 램만 억울하게 4GB가 된 상황

그렇기 때문에 예기치 못한 버그를 예방하기 위해서는 자바에서의 파라미터 전달 방식에 대한 올바른 이해가 필요합니다.

changeMac FINAL

그렇다면 결국 myMac 자바의 파라미터 전달 방식으로 인해서 맥북 에어를 계속 써야 되는 상황에 놓였습니다.

이 상황에서는 어떤 해결책이 있을까요? 평생 맥북 에어만 써야 하는 걸까요..?

@Test
public void changeMacTest() {
  Mac myMac = new Mac("Macbook Air", "m1", 13, 8);
  Mac macBookPro14 = new Mac("Macbook Pro", "m1 max", 14, 32);
  myMac = macBookPro14;
  assertThat(myMac).isEqualTo(macBookPro14);
}

사실 맥북을 변경하고 싶다면 다른 메서드를 호출 하지 말고 바로 myMac에 macBookPro를 할당해야 합니다.

그럼에도 불구하고 꼭 특정 메서드를 호출해서 원본 데이터의 참조를 변경 해야 하는 경우가 있다면 그땐 파라미터 전달로 해결하려 들면 안됩니다.

위에서 계속 알아 보았던 것 처럼 파라미터를 통해서는 value 가 전달 되기 때문이에요.

특히 알고리즘 문제 풀이중 Node 나 Trie 등 레퍼런스를 다뤄야 하는 문제의 경우에는 이런 일이 비일비재 한데요. 더미 객체를 생성해야 할 때도 왕왕 있고 제법 혼란스러운 일이 많이 발생합니다.

이때의 쉬운 해결책 중 하나는 메서드의 선언부를 끌어 올려서 caller 와 callee가 같은 변수를 사용하게 하는 것 입니다.

public class CallByReferenceThis {
    Mac myMac = new Mac("Macbook Air", "m1", 13, 8);

    @Test
    public void changeMacTest() {
        Mac macBookPro14 = new Mac("Macbook Pro", "m1 max", 14, 32);
        changeMac(macBookPro14);
        assertThat(myMac).isEqualTo(macBookPro14);
    }

    private void changeMac(Mac newMac) {
        this.myMac = newMac;
    }
}

이 경우에는 callee 안에서도 myMac에 똑같이 접근 할 수 있기 때문에 (파라미터로 전달받은게 아님) 새로운 맥북을 할당 해 줄 수 있습니다.

다소 억지스러워 보이는 예제이기도 하고, 비슷하게 전역 변수로 보내는 상황에서는 다중 쓰레드 환경에서의 동기화에도 신경 써줘야 하기 때문에 그냥 참고용으로만 생각 해 주시면 감사하겠습니다.

마치며

자바에서는 call by reference가 불가능하다는 제 기준에서는 제법 충격적이었던 소식을 전하게 되었습니다.

다소 헷갈릴 수는 있지만 자바 프로그램을 작성하는데 있어서는 꼭 필요한 개념이기 때문에 이 글을 읽어주신 모든 분들에게 도움이 되었으면 합니다.

감사합니다.

references

• https://stackoverflow.com/questions/40480/is-java-pass-by-reference-or-pass-by-value
• https://stackoverflow.com/questions/6029012/how-to-do-call-by-reference-in-java
• https://www.baeldung.com/java-pass-by-value-or-pass-by-reference