ITEM 34: int 상수 대신 열거 타입을 사용해라

상수

일반적으로 불변의 값을 상수라고 부른다.(ex) 원주율, 지구의 무게, 둘레 등등 상수는 객체마다 저장할 필요가 없는 공용성을 띠고 있으며, 여러 가지 값으로 초기화될 수 없다.

static final 타입 상수 [=초기값];
static final 타입 상수;
static {
    상수 = 초기값;
}

이렇게 변하지 않는 값을 공통적으로 선언하고, 한군데서 관리하기 위해 사용한다.

정수 열거 패턴(int enum pattern)

자바에서 열거타입을 지원하기 이전(Java 1.5 이전)에는 정수 상수를 다음과 같이 한묶음에 선언해서 사용하고 했다.

public static final int MONDAY      = 1;
public static final int TUESDAY   = 2;
public static final int WEDNSDAY  = 3;

정수 열거 패턴에는 수많은 단점이 있다.

public static final int APPLE_FUJI = 0;
public static final int APPLE_PIPPIN = 1;
public static final int APPLE_GRANNY_SMITH = 2;

public static final int ORANGE_NAVEL = 0;
public static final int ORANGE_TEMPLE = 1;
public static final int ORANGE_BLOOD = 2;

이때, 정수 열거 패턴을 위한 별도의 namespace를 지원하지 않기 때문에 어쩔수 없이 접두어를 사용해서 이름 충돌을 방지한다.

APPLE_FUJI == ORANGE_NAVEL;

정수 열거 패턴은 위의 결과가 true 가 되기 때문에 타입 안전성이 지켜지지 않으며, 표현력도 좋지 않다.

또한, 평범한 상수를 나열한 것이기 때문에 컴파일시 그 값이 클라이언트 파일에 그대로 들어간다. 즉, 상수의 값이 바뀌면 클라이언트도 반드시 다시 컴파일 해줘야하는 단점이 있다.

마지막으로, 정수 상수는 문자열로 출력하기가 어렵다. 그 값을 출력하거나 디버거로 살펴볼 때도, 의미가 아닌 숫자로만 보이며, 같은 정수 열거 그룹에 속한 상수가 몇개인지도 알 수 없다.

문자열 열거 패턴(string enum pattern)

public static final String APPLE_FUJI                   = "apple fuji";
public static final String APPLE_PIPPIN                 = "apple pippin";
public static final String APPLE_GRANNY_SMITH   = "apple granny smith";

상수의 의미를 출력할 수 있다는 점은 좋지만, 오히려 더 나쁜 변형이다. 이렇게 하드코딩한 문자열에 오타가 있어도 컴파일러는 확인할 길이 없으며, 또한 문자열 비교에 따른 성능저하도 생긴다.

열거 타입(enumeration type)

자바는 열거 패턴의 단점을 없애고, 클래스의 장점을 가져오는 열거타입(enum type)을 제시했다.

public enum 열거타입이름 {...}
public enum Week {MONDAY, TUESDAY, WEDNESDAY, THURSDAY, ...};

( 열거 타입은 일정 개수의 상수 값을 정의한 다음, 그 이외의 값은 허용하지 않는 타입 )

  • 열거 타입 자체는 클래스이며, 상수 하나당 자신의 인스턴스를 하나씩 만들어 public static final 필드로 공개한다.

  • 열거 타입은 밖에서 접근할 수 있는 생성자를 제공하지 않으므로, 사실상 final 이다.

  • 즉, 클라이언트가 인스턴스를 직접 생성하거나 확장할 수 없으므로, 열거 타입 선언으로 만들어진 인스턴스들은 딱 한개씩만 존재한다. 싱글턴은 원소가 하나뿐인 열거 타입이라 할 수 있고, 반대로 열거타입은 싱글턴을 일반화한 형태라고 볼 수 있다.

  • 열거 타입은 컴파일타임에서의 타입 안전성을 제공한다. 위의 예제에서 Week 열거 타입을 매개변수로 선언했다면, 건너받은 참조는 null 혹은 Week 의 값 중 한개임이 확실하다. 이때, 다른 타입의 값을 넘기려고 하면 컴파일 오류가 발생한다.

  • 각자의 이름공간이 있으며, 열거 타입에 새로운 상수를 추가하거나 순서를 바꾸더라도, 다시 컴파일하지 않아도 된다.

  • 열거타입의 toString은 출력하기에 적합한 문자열을 제공한다.

  • 열거타입에는 임의의 메서드나 필드를 추가할 수 있고, 임의의 인터페이스를 구현하게 할 수도 있다.

열거타입 예시

public enum Planet {
    MERCURY(3.302e+23, 2.439e6),
    VENUS(4.869e+24, 6.052e6),
    EARTH(5.975e+24, 6.378e6);

    private final double mass;          // 질량
    private final double raduis;        // 반지름
    private final double surfaceGravity; // 표면중력

    private static final double G = 6.67300E-11;


    Planet(double mass, double raduis) {
        this.mass = mass;
        this.raduis = raduis;
        this.surfaceGravity = G * mass / (raduis * raduis);
    }

    public double mass() {
        return mass;
    }

    public double radius() {
        return raduis;
    }

    public double surfaceGravity() {
        return surfaceGravity;
    }

    public double surfaceWeight(double mass) {
        return mass * surfaceGravity; // F = ma
    }
}

열거 타입 상수 각각을 특정 데이터와 연결지으려면 생성자에 데이터를 받아 인스턴스 필드에 저장하면된다. 열거 타입은 근본적으로 불변이라 모든 필드는 final 이어야한다. 필드를 public으로 선언해도 되지만, private으로 두고 별도의 public 접근자 메서드를 두는 것이 낫다.

public class WeightTable {
    public static void main(String[] args) {
        double earthWeight = Double.parseDouble("185");
        double mass = earthWeight / Planet.EARTH.surfaceGravity();
        for (Planet p : Planet.values()) {
            System.out.printf("%s에서의 무게는 %f이다.%n", p, p.surfaceWeight(mass) );
        }
    }
}
MERCURY에서의 무게는 69.912739이다.
VENUS에서의 무게는 167.434436이다.
EARTH에서의 무게는 185.000000이다.

Process finished with exit code 0

toString 메서드는 상수 이름을 문자열로 반환하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 여기서 원래 상수에서 제거된 상수를 참조하는 곳에서는 컴파일 오류가 발생할 것이며, 이때 어떤 값에서 발생하는지 바로 알 수 있을 것이다.

열거타입에 선언한 클래스 혹은 그 패키지에서만 유용한 기능은 private 이나 package-private 메서드로 구현하면 된다.

상수별 메서드 구현

public enum Operation {
    PLUS, MINUS, TIMES, DIVIDE;

    public double apply(double x, double y) {
        switch (this) {
            case PLUS:
                return x + y;
            case MINUS:
                return x - y;
            case TIMES:
                return x * y;
            case DIVIDE:
                return x / y;
        }
        throw new AssertionError("알 수 없는 연산: " + this);
    }
}

다음과 같이 사칙연산 계산기의 연산종류를 열거 타입으로 선언하고, 상수가 뜻하는 연산을 하는 apply() 메서드가 있다. 위 코드는 동작은 하지만, 좋은 방법은 아니다. 새로운 상수를 추가하면 해당 case 문도 추가해야하고, 혹시라도 깜빡한 경우, 컴파일은 되지만 AssertionError 오류가 발생된다.

public enum Operation {
    PLUS    {public double apply(double x, double y){return x + y;}},
    MINUS   {public double apply(double x, double y){return x - y;}},
    TIMES   {public double apply(double x, double y){return x * y;}},
    DIVIDE  {public double apply(double x, double y){return x / y;}};

    public abstract double apply(double x, double y);
}

다음과 같이 apply 추상 메서드를 선언하고, 각 상수에 맞게 재정의 하는 방법이다. 이렇게 구현하면, 새로운 상수 추가시에도 apply 재정의 사시를 까먹기 어려울 것이며, 추상메서드를 재정의하지 않은 경우 컴파일 오류로 알려준다.

public enum Operation {
    PLUS("+")    {public double apply(double x, double y){return x + y;}},
    MINUS("-")   {public double apply(double x, double y){return x - y;}},
    TIMES("*")   {public double apply(double x, double y){return x * y;}},
    DIVIDE("/")  {public double apply(double x, double y){return x / y;}};

    private final String symbol;

    Operation(String symbol) {
        this.symbol = symbol;
    }
    @Override public String toString() {
        return symbol;
    }
    public abstract double apply(double x, double y);
}

상수별 메서드 구현을 상수별 데이터와 결합할 수도 있다.

valueOf

열거 타입에는 상수 이름을 입력받아 그 이름에 해당하는 상수를 반환해주는 valueOf 메서드가 자동으로 생성된다.

Operation i = Operation.valueOf("PLUS");
System.out.println(i); // PLUS

fromString

열거 타입의 toString 메서드를 재정의했다면, toString 이 반환하는 문자열을 해당 열거 타입 상수로 변환해주는 fromString 메서드도 함께 제공하는걸 고려해볼 수 있다.

import java.util.Map;
import java.util.Optional;
import java.util.stream.Collectors;
import java.util.stream.Stream;

public enum Operation {
    PLUS("+")    {public double apply(double x, double y){return x + y;}},
    MINUS("-")   {public double apply(double x, double y){return x - y;}},
    TIMES("*")   {public double apply(double x, double y){return x * y;}},
    DIVIDE("/")  {public double apply(double x, double y){return x / y;}};

    private final String symbol;

    Operation(String symbol) {
        this.symbol = symbol;
    }
    @Override public String toString() {
        return symbol;
    }
    public abstract double apply(double x, double y);

    // 열거 타입 상수 생성 후 정적 필드가 초기화될 때 추가됨.
    private static final Map<String, Operation> stringToEnum = Stream.of(values()).collect(Collectors.toMap(Object::toString, e->e));

    public static Optional<Operation> fromString(String symbol) {
        return Optional.ofNullable(stringToEnum.get(symbol)); // 주어진 연산이 가리키는 상수가 존재하지 않을 수 있음
    }
}

열거타입의 정적필드 중 생성자에서 접근할 수 있는 것은 상수 변수 뿐이다. 열거 타입 생성자가 실행되는 시점에는 정적 필드들이 초기화되기 전이라 자기 자신을 추가하지 못하도록 제약이 꼭 필요하다.

전략 열거 타입 패턴

enum PayrollDay {
    MONDAY, TUESDAY, WEDNESDAY, THURSDAY, FRIDAY, SATURDAY, SUNDAY;

    private static final int MINS_PER_SHIFT = 8 * 60;

    int pay(int minutesWorked, int payRate) {
        int basePay = minutesWorked * payRate;

        int overtimePay;
        switch (this) {
            case SATURDAY:
            case SUNDAY:
                overtimePay = basePay / 2;
                break;
            default:
                overtimePay = minutesWorked <= MINS_PER_SHIFT ? 0 : (minutesWorked - MINS_PER_SHIFT) * payRate / 2;
        }
        
        return basePay + overtimePay;
    }
    
}

다음과 같이 시간당 기본 임금과 그날 일한 시간이 주어지면 일당을 계산해주는 메서드를 갖고 있는 열거타입이다. 위 코드는 간결해보이지만, 관리하는데에 있어서는 위험한 코드이다. 새로운 값을 열거타입에 추가하고, 그 값을 처리하는 case문에도 반드시 넣어줘야하는 것이다. 만약 까먹고 case문에 추가를 안한 경우 휴일 수당을 받아야하는데 평일 수당을 받게되는 경우가 발생할 수도 있다.

import static ch5.dahye.item34.PayrollDay.PayType.*;

enum PayrollDay {
    MONDAY(WEEKDAY), TUESDAY(WEEKDAY), WEDNESDAY(WEEKDAY), THURSDAY(WEEKDAY), FRIDAY(WEEKDAY), SATURDAY(WEEKEND), SUNDAY(WEEKEND);

    private final PayType payType;

    PayrollDay(PayType payType) {
        this.payType = payType;
    }

    int pay(int minutesWorked, int payRate) {
        return payType.pay(minutesWorked, payRate);
    }

    enum PayType {
        WEEKDAY {
          int overtimePay(int minsWorked, int payRate){
              return minsWorked <= MINS_PER_SHIFT ? 0 : (minsWorked - MINS_PER_SHIFT) * payRate / 2;
          }
        },
        WEEKEND {
            int overtimePay(int minsWorked, int payRate){
                return minsWorked * payRate / 2;
            }
        };

        abstract int overtimePay(int minsWorked, int payRate);
        private static final int MINS_PER_SHIFT = 8 * 60;

        public int pay(int minsWorked, int payRate){
            int basePay = minsWorked * payRate;
            return basePay + overtimePay(minsWorked, payRate);
        }
    }

}

이 방식은 잔업수당 계산을 PayType 전략 열거 타입에 위임하여, switch 문이나 상수별 메서드 구현이 필요 없게 된다. 이 패턴은 switch문보다 복잡하지만 더 안전하고 유연하다.

Switch문이 적합한 경우

기존 열거 타입에 상수별 동작을 혼합해서 넣는 경우에는 switch문이 더 좋은 선택이 될 수 있다.

public static Operation inverse(Operation op) {
  switch (op) {
    case PLUS:      return Operation.MINUS;
    case MINUS:     return Operation.PLUS;
        case TIMES:     return Operation.DIVIDE;
    case DIVIDE:    return Operation.TIMES;
    default: throw new AssertionError("알 수 없는 연산: " + this);
  }
}

결론

열거 타입은 정수상수와 성능이 비슷하다. 열거 타입을 메모리에 올리는 공간과 초기화하는 시간이 들긴 하지만 체감될 정도는 아니다.

열거타입은

  1. 필요한 원소를 컴파일타임에 알 수 있는 상수 집합이라면 항상 열거 타입을 사용하자

  2. 열거 타입에 정의된 상수 개수가 영원히 고정 불변일 필요는 없다.

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