[Java] Java Object의 hashCode()와 equals()

서론

Java로 개발할 때 객체가 같은지 확인하는 일이 다수 있다. 처음 객체지향에 접하고 Java를 배울 때 객체를 기본 타입 비교하는 것처럼 == 으로 비교할 때 원하는 조건(같음)이 만족하지 않는다는 것을 알았다. 이 점에 나아가서 Java Object 클래스의 hashCode() 메소드와 equals() 메소드와의 관계까지 알아보고자 한다.

동일성과 동등성

갑자기 동일성과 동등성이 왜 나오는가? 싶긴 하지만 이 점이 Java에서 객체 비교를 할 때 중요한 개념 중에 하나라고 생각한다.

우선 objA == objB 와 같이 == 으로 비교하는 것은 Java 내에서 objA와 objB 인스턴스가 힙에 저장되어있는 주소를 비교하는 것이다. 아래에 예시를 적어보았다.

String s1 = new String("hello");
String s2 = new String("hello");
String s3 = s1; // s3는 s1이 참조하는 객체와 동일한 객체를 참조

System.out.println(s1 == s2); // false (s1과 s2는 "hello"라는 동일한 내용을 가지지만, Heap 메모리에서 각각 다른 String 객체를 생성했으므로 참조 주소가 다르다.)
System.out.println(s1 == s3); // true (s3는 s1의 참조 주소를 그대로 복사했으므로 동일한 객체를 참조한다.)

Integer i1 = new Integer(100);
Integer i2 = new Integer(100);
System.out.println(i1 == i2); // false (각각 다른 Integer 객체를 생성했으므로 참조 주소가 다름)

// 문자열 리터럴의 경우 String Constant Pool 때문에 특별한 동작을 보일 수 있음
String literal1 = "world";
String literal2 = "world";
System.out.println(literal1 == literal2); // true

마지막 예시인 literal 인스턴스의 경우에는 JVM에서 관리되는 String Constant Pool의 특성에 따라 리터럴 문법으로 선언된 문자열 객체는 intern() 메소드에 의해 내부적으로 같은 주소를 바라보게 맵핑되기 때문에 literal1 == literal2값은 true가 된다.

동일성

위 예시에서 처럼 같은 값을 가지고 있지만, 내부 Heap에 저장된 주소(참조)에 따라 같지 않음을 나타내는 == 연산자가 나타내는 특성을 “동일성”이라고 한다.

동등성

먼저 예시를 보면,

String s1 = new String("hello");
String s2 = new String("hello");

System.out.println(s1.equals(s2)); // true (String 객체 내부 값이 같다.)

Integer i1 = new Integer(100);
Integer i2 = new Integer(100);

System.out.println(i1.equals(i2)); // true (Integer 객체 내부 값이 같다.)

위의 예시에서 썼던 인스턴스를 그대로 가져와서 ==이 아닌 equals() 메소드로 비교했을 때에는 원하는 대로 내부 필드의 값을 비교해서 true로 반환했다.
이와 같이 객체 내부 필드의 값을 초점에 맞춰서 비교하는 특성을 “동등성”이라고 한다.

💡 Java의 Object 클래스는 equals() 메소드를 가지고 있다. 하지만 Object 클래스의 equals() 메소드 내에서는 == 연산자와 같이 “동일성” 비교를 하고 있다.
따라서 모든 클래스는 Object 클래스를 상속받고 있기 때문에 각 클래스 별로 올바르게 equals() 메소드를 구현하는 게 객체 지향 프로그래밍에서 중요하다.

IntelliJ 에서의 equals 자동 완성

실제 IntelliJ에서 클래스를 직접 생성해서 equals() 메소드를 재정의하려고 하면, hashCode() 메소드도 같이 재정의하도록 되어있다. 이유가 뭘까?

equals()와 hashCode()의 상관 관계

class Person{
    int age;
    String name;

    Person(String name, int age){
        this.name = name;
        this.age = age;
    }

    public boolean equals(Object o) {
        if (this == o) return true;
        if (o == null || getClass() != o.getClass()) return false;

        Person person = (Person) o;

        if (age != person.age) return false;
        return name.equals(person.name);
    }
}

위처럼 Person 클래스에 equals() 메소드만 오버라이딩 했다고 가정하고, 아래 예시를 실행해보겠다.

Person p1 = new Person("naknak", 19);
Person p2 = new Person("naknak", 19);

System.out.println(p1.equals(p2)); // true

System.out.println(p1.hashCode()); // 1802598046
System.out.println(p2.hashCode()); // 659748578

원하는 대로 equals() 메소드 반환 결과는 true로 나왔지만, hashCode() 값은 두 값이 다르게 나왔다.
일반적으로 Object 클래스의 hashCode() 메소드에서는 내부 JVM 수준의 코드에서 객체가 저장된 주소를 해시값으로 반환한다.

💡 이 객체들을 Hash 기반의 Collection에 넣으면 어떻게 될까?

Person p1 = new Person("naknak", 19);
Person p2 = new Person("naknak", 19);

Set<Person> personSet = new HashSet<>();

personSet.add(p1);
personSet.add(p2);

System.out.println(personSet.size()); // 2

HashSet은 같은 값에 대해 중복을 허용하지 않는 Collection 자료구조이다. 하지만 동등성에 만족하는(논리적으로 값이 같은) 두 객체를 HashSet에 넣었을 때 크기가 1이 되어야한다고 예상했지만 2가 반환됐다.

hashCode()의 목적

실제 Java의 Object 클래스의 hashCode() 부분에 위와 같이 메소드의 목적이 주석으로 적혀있다.

<hashCode() 메서드의 일반 규약>

자바 애플리케이션이 실행되는 동안, 한 객체에 대해 hashCode 메서드를 여러 번 호출할 때마다, 
그 객체의 equals 비교에 사용되는 정보가 변경되지 않았다면 항상 동일한 정수 값을 일관되게 반환해야 합니다.
이 정수 값은 애플리케이션을 재실행했을 때 이전 실행과 동일하게 유지될 필요는 없습니다.

equals(Object) 메서드에 따라 두 객체가 같다고(equal) 판단된다면, 
두 객체 각각에 대해 hashCode 메서드를 호출했을 때 반드시 동일한 정수 결과를 생성해야 합니다.

equals(Object) 메서드에 따라 두 객체가 같지 않다고(unequal) 판단될 때, 
두 객체 각각에 대해 hashCode 메서드를 호출했을 때 반드시 다른 정수 결과를 생성해야 하는 것은 아닙니다. 
하지만, 개발자는 같지 않은 객체에 대해 서로 다른 정수 결과를 생성하는 것이 
해시 테이블(Hash Table)의 성능을 향상시킬 수 있음을 인지해야 합니다.

해석을 읽어보고 요약해보면, equals() 결과값이 true라면 hashCode() 값이 같아야하고, 만약 hashCode()의 값이 다르다면 해시 테이블의 성능에 문제가 있을 것임을 나타낸다. 위의 HashSet에서 보인 예시와 같다.

equals()와 hashCode() 재정의 후 테스트

class Person{
    int age;
    String name;

    Person(String name, int age){
        this.name = name;
        this.age = age;
    }

    public boolean equals(Object o) {
        if (this == o) return true;
        if (o == null || getClass() != o.getClass()) return false;

        Person person = (Person) o;

        if (age != person.age) return false;
        return name.equals(person.name);
    }

    public int hashCode() {
        int result = age;
        result = 31 * result + (name != null ? name.hashCode() : 0);

        return result;
    }
}

기존 위의 예시 Person에서 hashCode()를 재정의하고 다시 호출해보았다.

Person p1 = new Person("naknak", 19);
Person p2 = new Person("naknak", 19);

System.out.println(p1.equals(p2)); // true

System.out.println(p1.hashCode()); // -1052882099
System.out.println(p2.hashCode()); // -1052882099

Set<Person> personSet = new HashSet<>();

personSet.add(p1);
personSet.add(p2);

System.out.println(personSet.size()); // 1

그렇다면 왜 hashCode()에서는 31이라는 숫자를 사용할까?

위 예시에서 사용했던 Person 객체에 대한 hashCode()이다. result에 각 필드값에 31을 곱해서 누적합을 진행하는 것을 볼 수 있다.

public int hashCode() {
    int result = age;
    result = 31 * result + (name != null ? name.hashCode() : 0);

    return result;
}

왜 31일까?

그 이유에 대해서 나름대로 생각해보고 찾아봤다.

1. 31이 홀수이고, 소수이기 때문이다.

• 31은 소수이다. 그리고 hashCode()는 해시값을 반환하기 위한 메소드이다. 내부적으로 해시 충돌을 최소화하려면 값을 곱했을 때 2진수 값이 골고루 분산되어야하고, 홀수를 곱해야 마지막 자리수(2진수 기준)를 효율적으로 사용할 수 있다.
• 만약 곱하는 숫자가 31이 아니라 짝수이고 곱했을 때 오버플로우가 발생한다면 기존의 정보를 잃을 수 있다.

2. 31은 2^5 - 1로, 비트 연산에 최적화 되어있다.

• 특정 값 X에 31을 곱한다고 했을 때,
• X * 31
• X * (32 - 1)
• X * 32 - X
• (X « 5) - X
• 순서대로 비트 시프트 연산과 빼기 연산자를 이용해서 JVM에서 최적화된 빠른 계산이 가능하다.

결론

자주 사용하는 equals()메소드와 hashCode()메소드의 관계, 올바르게 재정의 해야하는 이유에 대해서 알아보았다. 다음에는 hash와 해시 충돌, hash를 이용하는 Collection인 HashMap에 대해서 알아볼 것이다.

출처

• Java 11 Object.java