[Java] 내부 클래스를 static으로 선언하는 이유

인텔리제이 IDE를 사용해 개발을 할 때 내부 클래스에 static을 선언하지 않았을 경우 static으로 선언하라는 경고 메세지를 본 적이 있을 것이다. 이번 포스팅에서는 왜 내부 클래스에 static 선언을 권장하는지에 대한 것을 알아보려 한다.

⚔️ 인스턴스 클래스 vs 정적 클래스

자바의 내부 클래스 종류는 다음과 같다.

1. 인스턴스 클래스 (non-static 내부 클래스)
2. 정적 클래스 (static 내부 클래스)
3. 지역 클래스 (메서드 내부에 정의된 클래스)
4. 익명 클래스

이 중에서 우리가 주목해야 하는 것은 인스턴스 클래스와 정적 클래스의 차이이다.

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🌋 인스턴스 내부 클래스의 문제점

인스턴스 내부 클래스는 외부 클래스의 인스턴스에 종속되어 있다. 이로 인해 몇 가지 중요한 문제가 발생할 수 있다.

🕵️ 숨겨진 외부 참조

인스턴스 내부 클래스는 외부 클래스의 인스턴스에 대한 숨겨진 참조를 가진다. 이는 내부 클래스가 외부 클래스의 멤버를 사용하지 않더라도 발생한다.

예를 들어, 다음과 같은 코드를 살펴보자:

public class OuterClass {
    int o = 10;
    class Inner {
        int i = 20;
    }
}

이 코드를 컴파일하고 바이트 코드를 확인해 보면, InnerClass의 생성자에 OuterClass의 참조가 숨겨진 매개변수로 전달되는 것을 볼 수 있다.

💧 메모리 누수

이러한 숨겨진 참조로 인해 심각한 메모리 누수 문제가 발생할 수 있다. 내부 클래스의 인스턴스가 살아있는 한, 외부 클래스의 인스턴스도 GC(가비지 컬렉션)의 대상이 되지 않는다. (외부 참조로 내부 클래스와 연결되어 있기 때문에)

import java.util.ArrayList;

class OuterClass {
	// 외부 클래스 객체의 크기를 불리기 위한 배열 변수
    private int[] data;

    // 내부 클래스
    class InnerClass {
    }
	
    // 외부 클래스 생성자
    public OuterClass(int size) {
        data = new int[size]; // 사이즈를 받아 배열 필드의 크기를 불림
    }
	
    // 내부 클래스 객체를 생성하여 반환하는 메소드
    InnerClass getInnerObject() {
        return new InnerClass();
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
    	// InnerClass 객체를 저장할 리스트
        ArrayList<Object> al = new ArrayList<>();
        
        for (int counter = 0; counter < 50; counter++) {
            // InnerClass 객체를 생성하기 위해 OuterClass를 초기화하고 메서드를 호출하여 리스트에 넣는다.
            // 이때 OuterClass 객체는 메소드 호출용으로 일회용으로 사용되고 버려지기 때문에 GC 대상이 되어야 한다.
            al.add(new OuterClass(100000000).getInnerObject());
            System.out.println(counter);
        }
    }
}

주석에도 적혀있듯이 메서드 호출용으로 일회용으로 사용된 OuterClass 객체는 더이상 필요없게 되어 GC 대상이 되어 힙 메모리에서 삭제되어야 할 것이다.
하지만 이 코드를 실행 해보면 OutOfMemoryError 예외가 발생된다. 원래라면 메서드 호출 용도로만 쓰여진 일회용 객체는 바로 GC 수거 대상이 되어 제거 되어야 하지만, 내부 클래스에서 외부 클래스를 참조하고 있는 관계때문에 내부 클래스(InnerClass) 데이터가 살아있는 한 외부 클래스(OuterClass) 데이터도 계속 살아 있어 엄청난 데이터가 지속적으로 메모리에 쌓이게 되어 이러한 예외를 터뜨리게 되는 것이다.

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🌟 static 내부 클래스의 장점

정적 내부 클래스를 사용하면 이러한 문제를 해결할 수 있다.

🔒 외부 참조 없음

static 내부 클래스는 외부 클래스의 인스턴스에 대한 참조를 갖지 않는다. 따라서 메모리 사용이 더 효율적이고, 외부 클래스의 인스턴스 없이도 내부 클래스를 사용할 수 있다.

🛡️ 메모리 누수 방지

static 내부 클래스를 사용하면 위에서 본 메모리 누수 문제를 해결할 수 있다.

위에서 보았던 예제 코드에 static을 붙여보고 실행해보자.

import java.util.ArrayList;

class OuterClass {
    private int[] data;

    // static 내부 클래스
    static class InnerClass {
    }
	
    public OuterClass(int size) {
        data = new int[size]; 
    }
	
    InnerClass getInnerObject() {
        return new InnerClass();
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
    
        ArrayList<Object> al = new ArrayList<>();
        for (int counter = 0; counter < 50; counter++) {
            al.add(new OuterClass(100000000).getInnerObject());
            System.out.println(counter);
        }
    }
}

해당 코드를 실행해보면 인스턴스 내부 클래스에서 발생하던 OutOfMemoryError없이 코드가 잘 실행되는 것을 확인 할 수 있다. InnerClass가 OuterClass에 대한 참조를 갖지 않기 때문에, 더 이상 필요 없는 OuterClass 인스턴스들이 적절히 GC 대상이될 수 있는 것이다.

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🎓 결론

1. 내부 클래스가 외부 클래스의 인스턴스 멤버에 접근할 필요가 없다면, 반드시 `static`으로 선언하자.
2. static 내부 클래스를 사용하면 메모리 사용이 더 효율적이고 잠재적인 메모리 누수를 방지할 수 있다.

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참고

• https://velog.io/@dkajffkem/%EB%82%B4%EB%B6%80-%ED%81%B4%EB%9E%98%EC%8A%A4%EB%8A%94-%EC%99%9C-static-%EC%9C%BC%EB%A1%9C-%EC%84%A0%EC%96%B8%ED%95%A0%EA%B9%8C
• https://inpa.tistory.com/entry/JAVA-%E2%98%95-%EC%9E%90%EB%B0%94%EC%9D%98-%EB%82%B4%EB%B6%80-%ED%81%B4%EB%9E%98%EC%8A%A4%EB%8A%94-static-%EC%9C%BC%EB%A1%9C-%EC%84%A0%EC%96%B8%ED%95%98%EC%9E%90