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왜 자바 람다는 final 지역변수를 사용해야할까?

July 10, 2023

이번 포스팅에서는 자바의 람다식은 어째서 final 변수를 사용해야 하는지에 대해 정리해보고자 합니다.

얼마전 면접에서 관련 질문을 받게 되었는데 제대로 답변하지 못한 아쉬움이 있어, 이번 기회에 확실히 짚고 넘어가보려고 합니다.



결론부터 이야기하자면…

왜 자바에서 람다식은 final 변수를 사용해야하는지, 그 결론부터 이야기하자면 아래와 같습니다.

  • 람다식의 종류 중, Non-local Capturing Lambda 에서 사용되는 외부 지역변수는 반드시 final 이거나, Effectively final 이어야 한다.
  • 왜냐하면, 외부 지역변수를 동기화할 방법이 없기 때문이다.

그럼 왜 이런 결론이 도출되는지, 지금부터 자세히 알아보겠습니다.



람다의 종류

먼저 람다의 종류부터 시작해보죠.

람다는 어떻게 사용되느냐에 따라서, 여러 종류로 구분할 수 있습니다.

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  • Capturing Lambda
    • 외부 변수를 사용하는 람다식을 의미합니다.
    • 외부 변수란, 클래스·인스턴스·지역변수처럼 람다식 외부에 선언된 변수를 의미합니다.
  • Non-capturing Lambda
    • 외부 변수를 사용하지 않는 람다식을 의미합니다.
  • Local Capturing Lambda
    • 사용하는 외부 변수가 지역 변수인 람다식을 의미합니다.
    • 이때 람다식은 외부 지역변수의 값을 복사해와서 사용합니다.
    • 사용된 외부 지역변수는 반드시 final 이거나 Effectively final 이어야 합니다.
  • Non-local Capturing Lambda
    • 사용하는 외부 변수가 지역 변수가 아닌 람다식을 의미합니다.
    • 외부 변수의 값을 복사하지 않고, 그대로 참조하여 사용합니다.

위 그림과 설명으로, 람다식의 종류는 충분히 이해할 수 있을겁니다.

우리가 이번 포스팅에서 집중할 것은 바로 Local Capturing Lambda 입니다.

Local Capturing Lambda 는 외부 지역변수를 사용하는 람다식을 의미합니다. 그리고 여기에서 사용되는 외부 지역변수는 반드시 불변성을 가져야 합니다.



Local Capturing Lambda 는 외부 지역변수의 값을 복사해서 사용한다.

그렇다면 다른 람다식, 특히 인스턴스 변수나 클래스 변수를 사용하는 Non-local Capturing Lambda 는 final 이 없는 변수를 사용해도 되는데, 왜 Local Capturing Lambda 만 불변하는 외부 지역변수를 사용해야할까요?

그 이유는, Local Capturing Lambda 의 특징에 있습니다.

‘Local Capturing Lambda 는 외부 지역변수의 값을 복사해서 사용한다.’ 가 바로 그 특징입니다.

이런 특성 때문에, 어쩔 수 없이 불변성을 갖는 지역변수를 사용할 수 밖에 없습니다.
(이에 대한 자세한 내용은 조금 있다가 나오니, 조금만 기다려주세요!)

그렇다면, 왜 굳이 값을 복사해서 사용하는지를 먼저 알아볼까요?


이유 1) 지역변수는 Stack 영역에 임시로 관리된다.

지역변수는 해당 메서드를 실행한 쓰레드의 Stack 영역에 할당됩니다. 그래서 메서드 실행을 마치게 되면, Stack 영역에서 지역변수가 해제됩니다.

그래서 람다는 어쩔 수 없이, 외부 지역변수의 값을 복사해서 사용하게 됩니다.

만약, 어떤 메서드가 자신의 지역변수를 사용하는 람다식을 리턴한다고 가정해봅시다. 그리고 Local Capturing Lambda 가 외부 지역변수를 복사해서 사용하지 않고, 참조해서 사용한다고 가정해보겠습니다.

그러면 아래 그림과 같이, 나타날 것입니다.

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쓰레드에 의해 실행된 Method 4가 람다식을 반환했고, 이 람다식은 JVM의 메모리 영역 중 Method Area에 적재되게 됩니다.
왜냐하면, 자바 컴파일러에 의해서 람다식이 private static 메서드로 변환되기 때문입니다.

그리고 해당 람다식이 Method 4의 지역변수를 참조하게 됩니다.

Method 4가 람다식을 반환하고 실행을 마쳤으므로, 해당 쓰레드의 Stack 영역에서 해제될 것입니다.

그럼 아래 그림처럼, 람다식이 해당 지역변수를 참조할 수 없는 문제가 발생합니다.

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위와 같은 문제로 인해서, Local Capturing Lambda 는 외부 지역변수의 값을 복사해서 사용합니다.

그럼 아래와 같이 문제를 해결할 수 있습니다.

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그렇기 때문에, 내부적으로 Local Capturing Lambda 는 외부 지역변수의 값을 복사해서 사용합니다.


이유 2) 지역변수를 관리하는 쓰레드와 람다를 실행하는 쓰레드가 다를 수 있다.

그리고 Local Capturing Lambda 가 외부 지역변수의 값을 복사해서 사용하는 또다른 이유가 있습니다.

그것은 바로, ‘지역변수를 관리하는 쓰레드’와 ‘람다를 실행하는 쓰레드’가 서로 다를 수 있다는 것입니다.

Stack 메모리 영역은 쓰레드 별로 독립적으로 가지고 있으며, 서로 다른 쓰레드가 각자의 Stack 영역을 참조할 수 없습니다.

따라서, ‘지역변수가 존재하는 쓰레드’와 ‘람다를 실행하는 쓰레드’가 서로 다른 경우, 지역변수를 참조할 수 없습니다.

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위 그림을 보면, JVM의 메모리 영역 중 Method Area에 람다식이 저장되어 있게 됩니다.
(다시 말하지만, 람다식은 컴파일러에 의해 private static 메서드로 변환됩니다. 그렇기 때문에, 람다식은 Method Area 영역에 할당됩니다.)

따라서 Method Area에 Thread B의 지역변수에 대한 참조값이 저장되게 되고, 이것을 Thread A가 사용하게 됩니다.

이 말은 즉, Thread A가 Thread B의 Stack 영역을 참조하여 사용한다는 이야기이고, 이것은 다른 쓰레드의 Stack 영역을 참조할 수 없다는 원리를 위배하게 됩니다.

이 문제를 해결하기 위해, 아래 그림처럼 값을 복사해서 사용하게 됩니다.

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즉 정리하자면, Local Capturing Lambda 는 아래와 같은 이유로 복사된 외부 지역변수의 값을 사용합니다.

  • 지역변수는 Stack 메모리 영역에 존재하기 때문에, 람다식을 실행하는 시점에 외부 지역변수가 메모리에서 이미 해제되어 있을 수 있다.
  • 서로 다른 쓰레드는 독립적인 Stack 메모리 영역을 갖고, 서로 참조할 수 없다.

그리고 바로 이런 특성 때문에, 외부 지역변수는 내부적으로 그 값을 복사해서 사용하게 되고, 이 때문에 불변성을 갖는 외부 지역변수만을 사용할 수 있게 됩니다. 자세한 것은 이어서 설명할게요.



그럼 왜 불변하는 외부 지역변수만 사용할 수 있나?

이제 드디어 왜 불변 외부 지역변수만 사용할 수 있는지 이야기해볼 수 있겠군요.

그 이유는 ‘람다에서 사용되는 복사된 값과 실제 외부 지역변수의 값이 동일하다는 것을 보장할 수 없기 때문’ 입니다.

만약 ‘지역변수를 관리하는 쓰레드’와 ‘람다식을 실행하는 쓰레드’가 서로 다르고, 변경 가능한 외부 지역변수를 람다가 사용할 수 있다면, 람다에서 사용하는 복사된 값과 불일치가 발생하게 됩니다.

불변하지 않는 외부 지역변수를 사용할 수 있다고 가정한 뒤, 아래 코드를 볼까요?

public void myMethod() {
	int localVariable = 1; //지역변수 (불변X)

	//람다식
	Runnable lambda = () -> {
		System.out.println(localVariable); //변할 수 있는 외부 지역변수 사용
	};

	//새로운 쓰레드에서 람다 실행
	Thread newThread = new Thread(lambda);
	newThread.start();

	localVariable++; //Effectively final 제거 및 값 변경
}

위 코드를 그림으로 나타내면, 아래와 같습니다.

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코드에서 람다식을 선언하고, new Thread 에서 람다식을 실행시키고 난 직후 상태는 위 그림과 같을 것입니다.

이때 그 다음 코드인 localVariable++ 를 실행하면, 아래와 같이 상태가 변하게 됩니다.

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만약 불변하지 않는 지역변수를 람다식에서 사용할 수 있다면, 위처럼 값의 불일치가 발생하게 됩니다.

그러면 수행된 코드의 결과를 예측할 수 없어지게 되고, 결과를 알 수 없는 코드는 수행할 의미가 없어지게 되겠죠?

그렇다면, 서로의 상태를 동기화시킬 방법은 없을까요?

네, 없습니다. 왜냐하면 위에서 설명했듯, 쓰레드는 각각 독립적인 Stack 영역을 가지고 있고, 다른 쓰레드의 Stack 영역을 참조하는 것은 불가능하기 때문입니다.

그렇기 때문에, 아래처럼 외부 지역변수는 불변성을 가져야 합니다.

//final을 명시하는 경우
public void myMethod() {
	final int localVariable = 1; //final 지역변수

	//람다식
	Runnable lambda = () -> {
		System.out.println(localVariable); //불변 외부 지역변수 사용
	};

	//새로운 쓰레드에서 람다 실행
	Thread newThread = new Thread(lambda);
	newThread.start();

	// localVariable++; 불가능
}

//Effectively final을 사용하는 경우
public void myMethod() {
	int localVariable = 1; //Effectively final 지역변수

	//람다식
	Runnable lambda = () -> {
		System.out.println(localVariable); //불변 외부 지역변수 사용
	};

	//새로운 쓰레드에서 람다 실행
	Thread newThread = new Thread(lambda);
	newThread.start();

	// localVariable++; 추가 조작이 없다면, final 변수로 취급 (Effectively final)
}

정리하자면, 불변성을 갖지 않는 외부 지역변수를 람다식에서 사용하는 경우 값의 불일치가 발생할 수 있고, 이 때문에 실행 결과를 예측할 수 없다고 할 수 있습니다.

그리고 서로 다른 쓰레드의 Stack 영역을 참조할 수 없기 때문에, 값의 불일치 문제를 해결할 수 있는 방법이 없어서, 무조건 람다에서 사용되는 외부 지역변수는 불변해야 합니다.



그렇다면, 람다식 내부에서 조작하는 경우에는?

Local Capturing Lambda 는 외부 지역변수를 람다식 내부에서 조작할 수도 없습니다.

람다식의 외부에서 조작을 하든, 내부에서 조작을 하든, 모두 값의 불일치 문제가 발생하는 것은 마찬가지입니다.

아래 코드를 볼까요?

public void myMethod() {
	int localVariable = 1; //지역변수 (불변X)

	//람다식
	Runnable lambda = () -> {
		localVariable++; //외부 지역변수 값을 람다 내부에서 조작
		System.out.println(localVariable);
	};

	//새로운 쓰레드에서 람다 실행
	Thread newThread = new Thread(lambda);
	newThread.start();
}

위 코드를 실행시키면, 아래 그림과 같이 나타나게 됩니다.

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이 경우, 복사된 값이 변경되었고 값의 불일치 문제가 발생하게 됩니다.

그렇기 때문에, 람다의 내부·외부 모두 외부 지역변수의 값을 변경할 수 없습니다.



그럼 왜 인스턴스 변수나 클래스 변수는 final이 아니더라도, 람다에서 사용할 수 있을까?

그 이유는 람다식에서 클래스·인스턴스 변수를 사용할 때, 값을 복사해서 사용하지 않기 때문입니다.

그렇기 때문에, 값의 불일치 문제를 해결할 수 있습니다.

아래 코드는 컴파일 에러가 발생하지 않고, 정상적으로 실행 가능합니다.

static int classVar = 1; //클래스 변수
int instanceVar = 1; //인스턴스 변수

public void myMethod() {
	//인스턴스 변수를 조작하는 경우
  Runnable lambda1 = () -> {
    instanceVar++; //람다식 내부에서 인스턴스 변수 조작
    System.out.println("instanceVar : " + instanceVar);
  };
  instanceVar++; //람다식 외부에서 인스턴스 변수 조작

	//클래스 변수를 조작하는 경우
  Runnable lambda2 = () -> {
    classVar++; //람다식 내부에서 클래스 변수 조작
    System.out.println("classVar : " + classVar);
  };
  classVar++; //람다식 외부에서 클래스 변수 조작

  Thread threadA = new Thread(lambda1);
  Thread threadB = new Thread(lambda2);

  threadA.start(); //새 쓰레드에서 람다식1 실행
  threadB.start(); //새 쓰레드에서 람다식2 실행
}

위 코드를 실행하면, 아래와 같은 상태가 되게 됩니다.

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인스턴스 변수는 Heap 메모리 영역에 할당되고, 클래스 변수는 Method Area 메모리 영역에 할당됩니다.

여기서 Heap과 Method Area 영역은 모두 서로 다른 쓰레드에서 접근할 수 있는 메모리 영역입니다.

그리고 Stack 영역과는 다르게, 람다식을 수행할 때 해당 외부 변수들이 먼저 메모리에서 해제될 가능성이 없습니다.

따라서 여러 쓰레드에서 이 외부 변수들을 참조를 할 수 있고, 그렇기 때문에 람다식에서 값을 복사해서 사용할 필요가 없습니다.

그러므로, 값의 불일치 문제를 해결할 수 있습니다. 물론 동시성 문제를 해결하기 위해서, synchronized 같은 키워드를 사용하긴 해야 하지만요.



정리하며

지금까지 람다에서 불변 외부 지역변수를 사용해야하는 이유에 대해 알아보았습니다.

다시 정리해보면 아래와 같습니다.

  1. 람다 종류에는 Local Capturing Lambda 라는 것이 있고, 이것은 외부 지역변수를 사용하는 람다를 말한다.
  2. Local Capturing Lambda 는 외부 지역변수의 값을 복사해와서 사용한다. 그 이유는 아래와 같다.
    • 지역변수는 쓰레드의 Stack 메모리 영역에 할당되기 때문이다.
    • 따라서 람다식을 반환하고 메서드가 종료되는 경우, 람다식이 참조하고 있는 지역변수가 Stack 영역에서 제거된다. 그러면 람다식이 해당 지역변수를 참조할 수 없다.
    • 그리고 쓰레드 간 서로의 Stack 영역을 참조할 수 없다.
  3. 람다식이 외부 지역변수의 값을 복사해서 사용하기 때문에, 외부 지역변수가 불변하지 않는다면 값의 불일치 문제가 발생한다.
    • 그리고 이 문제를 해결할 수 있는 방법이 없다.
      왜냐하면 쓰레드 간 서로의 Stack 영역을 참조할 수 없어서, 값을 동기화할 수 없기 때문이다.
  4. 그렇기 때문에, 람다식이 사용하는 외부 지역변수는 무조건 불변해야한다.

이번 포스팅을 통해서, 람다식이 외부 지역변수를 사용할 때 왜 불변 변수만 사용할 수 있는지 이해하셨길 바라며, 글 마치도록 하겠습니다.

감사합니다.