item 24 : 멤버 클래스는 되도록 static으로 만들라

1. 중첩 클래스

각각의 중첩 클래스를 언제 그리고 왜 사용해야 하는지를 알아야 함

1) 중첩 클래스란?(nested class)

다른 클래스 안에 정의된 클래스를 말한다. 중첩 클래스는 자신을 감싼 바깥 클래스에서만 쓰여야 하며, 그 외의 쓰임새가 있다면 톱레벨 클래스로 만들어야 한다.

2) 중첩 클래스의 종류

1. 정적 멤버 클래스 : 외부 클래스

2. (비정적) 멤버 클래스 : 내부 클래스(inner class)

3. 익명 클래스 : 내부 클래스(inner class)

4. 지역 클래스 : 내부 클래스(inner class)

2. 정적 멤버 클래스

1) 정적 멤버 클래스

• 정적 멤버 클래스는 외부 클래스와 독립적으로 존재할 수 있다. 즉, 외부 클래스의 인스턴스 없이도 정적 멤버 클래스의 객체를 만들 수 있다.

• 정적 멤버 클래스는 바깥 클래스의 인스턴스에 접근하지 못한다. 이는 외부 클래스의 상태와 상관없이 독립적으로 동작할 수 있는 클래스라는 것을 의미한다.

• 정적 멤버 클래스는 다른 정적 멤버와 동일한 규칙을 적용받는다. 예를 들어 private로 선언되면 외부 클래스에서만 접근할 수 있고, public으로 선언되면 어디서든 접근 가능히다.

• 주로 외부 클래스와 밀접한 관련이 있지만, 외부 클래스의 인스턴스와 상관없이 동작하는 도우미 클래스(helper class)로 사용된다.

public class Calculator {

    // 정적 멤버 클래스
    public static class Operation {
        public static final Operation PLUS = new Operation("+");
        public static final Operation MINUS = new Operation("-");

        private String symbol;

        private Operation(String symbol) {
            this.symbol = symbol;
        }

        public String getSymbol() {
            return symbol;
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(Operation.PLUS.getSymbol()); // +
        System.out.println(Operation.MINUS.getSymbol()); // -
    }
}

• 위 예시에서 Operation은 Calculator 클래스의 정적 멤버 클래스이다. Calculator의 인스턴스 없이도 Operation 클래스의 멤버를 사용할 수 있다. 이를 통해 Calculator.Operation.PLUS 형태로 연산을 정의하고 사용할 수 있게 된다.

public class OuterClass {
    private static String secret = "OuterClass Secret";

    // 정적 멤버 클래스
    public static class StaticInnerClass {
        public void revealSecret() {
            // 바깥 클래스의 private 멤버에 접근 가능
            System.out.println("Secret: " + secret);
        }
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        OuterClass.StaticInnerClass inner = new OuterClass.StaticInnerClass();
        inner.revealSecret(); // "Secret: OuterClass Secret"
    }
}

정적 멤버 클래스는 바깥 클래스와 독립적으로 동작할 수 있으며, 외부 클래스의 인스턴스와는 상관없이 인스턴스화가 가능하다. 바깥 클래스의 private 멤버에 접근할 수 있는 특징을 제외하고는 일반 클래스와 다르지 않으며, 정적 멤버 클래스는 보통 바깥 클래스와 함께 사용된다.

2) 정적 멤버 클래스와 일반 클래스

정적 멤버 클래스는 다른 클래스 안에 선언되고, 바깥 클래스의 private 멤버에도 접근할 수 있다는 점만 제외하고는 일반 클래스와 똑같다.

1. 일반 클래스와 유사한 특징

정적 멤버 클래스는 클래스 내부에 선언되지만, 그 외에는 일반 클래스와 동일한 방식으로 동작한다.

• 생성자를 정의할 수 있다.

• 메서드와 필드를 가질 수 있다.

• 상속을 할 수 있고, 인터페이스를 구현할 수 있다.

• 독립적으로 인스턴스를 생성할 수 있다.

예를 들어, 정적 멤버 클래스도 일반 클래스처럼 인스턴스를 만들 수 있다.

public class OuterClass {
    // 정적 멤버 클래스
    public static class StaticInnerClass {
        public void display() {
            System.out.println("Static Inner Class");
        }
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // 정적 멤버 클래스는 외부 클래스의 인스턴스 없이도 인스턴스를 생성할 수 있다.
        OuterClass.StaticInnerClass inner = new OuterClass.StaticInnerClass();
        inner.display(); // "Static Inner Class"
    }
}

위 코드에서 StaticInnerClass는 외부 클래스 OuterClass와 별개로 동작하며, 외부 클래스의 인스턴스 없이도 인스턴스를 생성할 수 있다. 이는 일반적인 독립 클래스처럼 사용된다는 점에서 일반 클래스와 비슷하다.

2. 바깥 클래스의 private 멤버 접근 가능

일반적인 독립 클래스는 다른 클래스의 private 멤버에 접근할 수 없다. 그러나 정적 멤버 클래스는 외부 클래스 안에 선언되어 있기 때문에 외부 클래스의 private 멤버에도 접근할 수 있다.

예를 들어:

public class OuterClass {
    private static String secret = "OuterClass Secret";

    // 정적 멤버 클래스
    public static class StaticInnerClass {
        public void revealSecret() {
            // 바깥 클래스의 private 멤버에 접근 가능
            System.out.println("Secret: " + secret);
        }
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        OuterClass.StaticInnerClass inner = new OuterClass.StaticInnerClass();
        inner.revealSecret(); // "Secret: OuterClass Secret"
    }
}

위 코드에서 StaticInnerClass는 외부 클래스 OuterClass의 private 필드인 secret에 접근할 수 있다. 이는 외부 클래스 내부에 선언된 정적 멤버 클래스이기 때문에 가능한 동작이다.

일반적으로 독립적인 클래스는 다른 클래스의 private 멤버에 접근할 수 없지만, 정적 멤버 클래스는 외부 클래스의 멤버이므로 외부 클래스의 private 멤버에도 접근할 수 있는 예외적인 경우이다.

• 정적 멤버 클래스는 외부 클래스의 일부로 선언되며, 일반 클래스처럼 독립적으로 동작할 수 있다.

• 그러나 외부 클래스의 private 멤버에 접근할 수 있다는 점에서 일반 클래스와 차이가 있다.

3. 비정적 멤버 클래스

1) 비정적 멤버 클래스 (Non-static Member Class)

비정적 멤버 클래스는 외부 클래스의 인스턴스와 암묵적으로 연결되어, 즉, 외부 클래스의 인스턴스 없이 생성할 수 없다. 이를 통해 바깥 클래스의 메서드나 필드에 접근할 수 있는 강력한 기능을 제공한다. 비정적 멤버 클래스는 바깥 클래스의 인스턴스와 강하게 연결되며, 가비지 컬렉션에서 메모리 누수의 원인이 될 수도 있다.

• 비정적 멤버 클래스는 외부 클래스의 인스턴스와 연관되어 있다.

• 비정적 멤버 클래스는 외부 클래스의 인스턴스에 접근할 수 있다. 따라서 외부 클래스의 인스턴스 필드와 메서드에 자유롭게 접근할 수 있는 클래스이다.

• 주로 외부 클래스의 상태와 밀접하게 연관된 작업을 수행할 때 사용된다.

public class OuterClass {
    private String message = "Hello from OuterClass!";

    // 비정적 멤버 클래스
    public class InnerClass {
        public void printMessage() {
            System.out.println(message); // 외부 클래스의 필드에 접근 가능
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        OuterClass outer = new OuterClass();
        OuterClass.InnerClass inner = outer.new InnerClass();
        inner.printMessage(); // "Hello from OuterClass!"
    }
}

• 위 예시에서 InnerClass는 비정적 멤버 클래스입니다. 외부 클래스인 OuterClass의 인스턴스가 있어야 InnerClass의 객체를 만들 수 있다. 또한 InnerClass는 OuterClass의 필드에 접근할 수 있다.

public class OuterClass {
    private String secret = "OuterClass Secret";

    // 비정적 멤버 클래스
    public class NonStaticInnerClass {
        public void revealSecret() {
            // 바깥 클래스의 private 멤버에 접근 가능
            System.out.println("Secret: " + secret);
        }
    }

    public NonStaticInnerClass getInnerClass() {
        return new NonStaticInnerClass();
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        OuterClass outer = new OuterClass();
        OuterClass.NonStaticInnerClass inner = outer.getInnerClass();
        inner.revealSecret(); // "Secret: OuterClass Secret"
    }
}

• 바깥 클래스의 인스턴스가 있어야만 인스턴스화 가능.

• 바깥 클래스의 인스턴스와 암묵적으로 연결되어 있다.

• 바깥 인스턴스의 this 참조를 통해 바깥 클래스의 필드와 메서드에 접근할 수 있다.

정적 멤버 클래스와 비정적 멤버 클래스의 구문 차이

구문상으로는 정적 멤버 클래스는 static 키워드를 붙인다는 차이만 있지만, 동작 측면에서는 바깥 클래스와의 연결 여부가 큰 차이를 만든다.

public class OuterClass {
    public static class StaticInnerClass {
        // 정적 멤버 클래스
    }

    public class NonStaticInnerClass {
        // 비정적 멤버 클래스
    }
}

2) 정적 멤버 클래스와 비정적 멤버 클래스의 차이점 요약

정적 멤버 클래스	비정적 멤버 클래스
외부 클래스의 인스턴스 없이 생성 가능	외부 클래스의 인스턴스가 있어야 생성 가능
외부 클래스의 인스턴스 멤버에 접근 불가	외부 클래스의 인스턴스 멤버에 접근 가능
주로 독립적인 도우미 클래스로 사용	외부 클래스와 밀접하게 연관된 동작을 수행
static 키워드로 선언됨	static 키워드가 없음

3) 언제 사용하나?

• 정적 멤버 클래스는 외부 클래스와 밀접하게 연관되어 있지만, 외부 클래스의 상태에 의존하지 않는 경우에 주로 사용된다. 예를 들어, 연산자 정의, 상수 집합 등을 나타낼 때 적합하다.

• 비정적 멤버 클래스는 외부 클래스의 상태를 참조하거나 외부 클래스와 밀접한 상호작용이 필요한 경우에 사용된다. 예를 들어, 외부 클래스의 필드나 메서드에 접근해야 하는 상황에서 사용된다.

정적 멤버 클래스는 외부 클래스의 상태와 상관없이 독립적으로 동작할 수 있는 도우미 클래스로 주로 사용되고, 비정적 멤버 클래스는 외부 클래스의 인스턴스와 밀접하게 연관된 작업을 수행하는 데 사용된다.

4. 실제 사례

1) 반복자를 구현하는 비정적 멤버 클래스

비정적 멤버 클래스는 컬렉션의 반복자를 구현할 때 자주 사용된다. 여기서 반복자는 바깥 클래스의 인스턴스 상태를 참조할 수 있어야 하므로 비정적 멤버 클래스로 구현된다.

import java.util.AbstractSet;
import java.util.Iterator;

public class MySet<E> extends AbstractSet<E> {
    private E[] elements;  // MySet 클래스가 관리하는 요소 배열
    private int size;      // MySet에 포함된 요소의 수

    // 생성자: 배열을 받아 MySet을 초기화
    public MySet(E[] elements) {
        this.elements = elements;
        this.size = elements.length;  // 요소 수를 배열의 길이로 설정
    }

    // iterator() 메서드: MyIterator 인스턴스를 반환
    @Override
    public Iterator<E> iterator() {
        return new MyIterator();  // 비정적 멤버 클래스인 MyIterator를 생성하고 반환
    }

    // 비정적 멤버 클래스: 반복자를 구현하는 MyIterator 클래스
    private class MyIterator implements Iterator<E> {
        private int index = 0;  // 반복자가 현재 가리키고 있는 요소의 인덱스

        // hasNext(): 다음 요소가 있는지 여부를 확인
        @Override
        public boolean hasNext() {
            return index < size;  // 현재 인덱스가 size보다 작으면 다음 요소가 존재
        }

        // next(): 다음 요소를 반환
        @Override
        public E next() {
            return elements[index++];  // 현재 인덱스의 요소를 반환하고, 인덱스를 증가
        }
    }

    // size(): MySet에 포함된 요소의 수를 반환
    @Override
    public int size() {
        return size;
    }

    // main 메서드: MySet을 생성하고, 반복자를 사용하여 요소를 출력
    public static void main(String[] args) {
        MySet<String> mySet = new MySet<>(new String[]{"A", "B", "C"});  // String 요소로 구성된 MySet 생성
        Iterator<String> iterator = mySet.iterator();  // MySet의 반복자 생성
        while (iterator.hasNext()) {
            System.out.println(iterator.next());  // 반복자를 사용하여 요소를 하나씩 출력
        }
    }
}

• MySet<E> 클래스: AbstractSet<E>를 상속받아 사용자 정의 집합을 구현한 클래스. 내부에서 E[] 타입 배열을 사용해 요소들을 관리하며, 크기 정보는 size로 저장된다.

• 비정적 멤버 클래스 MyIterator: MySet 클래스의 반복자를 구현한 비정적 멤버 클래스. MyIterator는 MySet 클래스의 인스턴스에 포함된 요소 배열에 접근할 수 있다.

• 중요한 점: 비정적 멤버 클래스인 MyIterator는 MySet의 인스턴스 상태(elements, size)에 직접 접근할 수 있기 때문에 유용하다. 이를 통해 바깥 클래스의 상태와 긴밀하게 연결되어 동작한다.

2) 정적 멤버 클래스를 사용하는 사례: Map Entry

정적 멤버 클래스는 보통 바깥 클래스의 일부 역할을 수행하지만, 바깥 클래스의 상태와는 독립적으로 동작한다. 예를 들어 Map.Entry는 Map과 관련 있지만 독립적으로 동작해야 하므로 정적 멤버 클래스로 정의된다.

public class MapExample {
    // 정적 멤버 클래스 Entry: key-value 쌍을 저장하는 클래스
    public static class Entry<K, V> {
        private K key;    // 키
        private V value;  // 값

        // 생성자: key와 value를 받아 Entry를 초기화
        public Entry(K key, V value) {
            this.key = key;
            this.value = value;
        }

        // getKey(): 키를 반환
        public K getKey() {
            return key;
        }

        // getValue(): 값을 반환
        public V getValue() {
            return value;
        }

        // toString(): "key=value" 형식으로 출력
        @Override
        public String toString() {
            return key + "=" + value;  // 키와 값을 "=" 기호로 연결하여 문자열로 반환
        }
    }

    // main 메서드: Entry 인스턴스를 생성하고 출력
    public static void main(String[] args) {
        MapExample.Entry<String, Integer> entry = new MapExample.Entry<>("Key", 100);  // "Key", 100 쌍으로 Entry 생성
        System.out.println(entry);  // "Key=100" 출력
    }
}

• 정적 멤버 클래스 Entry: 이 클래스는 MapExample 클래스의 내부에 선언된 정적 멤버 클래스로, 바깥 클래스 MapExample의 상태와는 독립적으로 동작한다. Entry 클래스는 키-값 쌍을 관리하며, Map.Entry의 개념을 구현한다.

• 중요한 점: 정적 멤버 클래스는 바깥 클래스의 인스턴스와 관계없이 독립적으로 동작하므로, 바깥 클래스의 상태에 의존하지 않는다. Entry 클래스는 MapExample 클래스의 상태를 참조하지 않기 때문에 정적 멤버 클래스로 구현된다.

3) 정리

• 정적 멤버 클래스는 바깥 클래스와 독립적으로 동작하며, 메모리와 성능 면에서 더 효율적일 수 있습니다.

• 비정적 멤버 클래스는 바깥 클래스의 인스턴스와 연결되어 있으며, 바깥 클래스의 상태를 참조해야 할 때 사용됩니다.

• 구문적으로 static 키워드가 붙느냐 안 붙느냐 차이만 있지만, 의미상 큰 차이가 있습니다.

5. 익명 클래스와 지역 클래스

1) 익명 클래스 (Anonymous Class)

익명 클래스는 이름이 없는 클래스이다. 주로 즉석에서 인스턴스를 생성할 때 사용된다.

이름이 없기 때문에 오직 선언과 동시에 인스턴스를 생성할 수 있다. 그리고 특정 인터페이스를 구현하거나, 클래스의 서브 클래스를 한 번에 정의할 수 있지만 여러 인터페이스를 구현하거나 다른 클래스를 상속할 수는 없다.

익명 클래스의 특징:

• 이름이 없다: 인스턴스를 생성하는 동시에 선언되어 사용

• 단일 인터페이스만 구현하거나, 단일 클래스를 상속할 수 있다.

• 정적 문맥에서 사용할 수 없고, 정적 멤버를 가질 수 없다.

• 코드의 선언 지점에서만 사용할 수 있다. (재사용 불가능)

• 10줄 이하의 간단한 코드로 사용하는 것이 좋다. 그렇지 않으면 가독성이 떨어진다.

• 바깥 클래스의 인스턴스를 참조할 수 있다.

public class AnonymousClassExample {

    interface Greeting {
        void sayHello();
    }

    public static void main(String[] args) {
        // 익명 클래스 사용 예
        Greeting greeting = new Greeting() { // 이름이 없는 클래스 생성
            @Override
            public void sayHello() {
                System.out.println("Hello from Anonymous Class!");
            }
        };
        greeting.sayHello(); // "Hello from Anonymous Class!" 출력
    }
}

특징 설명:

• Greeting 인터페이스를 구현하는 익명 클래스가 생성되고, 그 클래스의 인스턴스가 바로 만들어진다.

• 클래스의 이름이 없기 때문에 선언과 동시에 인스턴스를 사용할 수 있다.

• 코드의 간결성과 일회성 사용을 위해 익명 클래스를 사용했다.

2) 지역 클래스 (Local Class)

지역 클래스는 메서드 내에 정의되는 클래스이며, 해당 메서드의 지역변수처럼 사용된다. 지역 변수가 선언될 수 있는 곳이라면 어디에서든 정의할 수 있고, 해당 블록 내에서만 유효하다.

익명 클래스와 달리 이름이 있어 반복적으로 사용할 수 있지만, 외부에서 접근할 수 없다.

지역 클래스의 특징:

• 메서드 내부에 선언되어 해당 메서드의 지역변수처럼 사용된다.

• 이름이 있다: 반복적으로 사용할 수 있다.

• 바깥 클래스의 멤버에도 접근할 수 있으며, final 지역 변수에 접근 가능하다.

• 외부에서는 접근할 수 없다 (지역 클래스는 해당 블록 내에서만 유효).

public class LocalClassExample {

    public void printNumbers() {
        final int factor = 2; // final 지역 변수

        // 지역 클래스
        class Multiplier {
            int multiply(int number) {
                return number * factor; // 바깥 메서드의 final 변수에 접근 가능
            }
        }

        Multiplier multiplier = new Multiplier();
        System.out.println(multiplier.multiply(5)); // 출력: 10
        System.out.println(multiplier.multiply(10)); // 출력: 20
    }

    public static void main(String[] args) {
        LocalClassExample example = new LocalClassExample();
        example.printNumbers();
    }
}

특징 설명:

• Multiplier라는 지역 클래스가 printNumbers 메서드 내에서 선언되었다.

• 이 클래스는 factor라는 final 변수에 접근할 수 있다.

• Multiplier 클래스는 메서드 내에서 여러 번 인스턴스화할 수 있지만, 해당 메서드 밖에서는 사용할 수 없다.

3) 익명 클래스와 지역 클래스의 차이

특징	익명 클래스	지역 클래스
이름	없음	있음
사용 가능 범위	선언된 지점에서만 사용 가능 (일회성)	메서드나 블록 내에서 여러 번 인스턴스화 가능
바깥 클래스 참조	가능	가능
지역 변수 접근	final 또는 effectively final 지역 변수만 가능	final 또는 effectively final 지역 변수만 가능
재사용성	재사용 불가능	메서드 내에서 재사용 가능
사용 위치	메서드나 표현식 내에서 주로 사용	메서드나 블록 내에서 선언

4) 익명 클래스의 제한 사항

• 여러 인터페이스를 구현할 수 없고, 단 하나의 인터페이스나 클래스만 상속할 수 있다.

• 익명 클래스는 인스턴스가 생성될 때만 선언되며, 재사용이 불가능하다.

• 클래스의 이름이 없으므로 instanceof 검사나 클래스의 이름이 필요한 작업은 수행할 수 없다.

익명 클래스는 주로 간단한 일회성 사용에 유리하며, 코드 간결성을 중시할 때 사용된다. 반면, 지역 클래스는 이름이 있어 여러 번 인스턴스화가 필요할 때 사용된다.

✨ 최종 정리

• 중첩 클래스에는 네 가지가 있으며, 각각의 쓰임이 다르다. 메서드 밖에서도 사용해야 하거나 메서드 안에 정의하기엔 너무 길다면 멤버 클래스로 만든다.

• 멤버 클래스의 인스턴스 각각이 바깥 인스턴스를 참조한다면 비정적으로, 그렇지 않으면 정적으로 만들자.

• 중첩 클래스가 한 메서드 안에서만 쓰이면서 그 인스턴스를 생성하는 지점이 단 한 곳이고 해당 타입으로 쓰기에 적합한 클래스나 인터페이스가 이미 있다면 익명 클래스로 만들고, 그렇지 않으면 지역 클래스로 만들자.