아이템[15]. 클래스와 멤버의 접근 권한을 최소화하라

어설프게 설계된 컴포넌트와 잘 설계된 컴포넌트의 가장 큰 차이는 바로 클래스 내부 데이터와 내부 구현 정보를 외부 컴포넌트로부터 얼마나 잘 숨겼느냐 차이입니다.

잘 설계된 컴포넌트는 모든 내부 구현을 완벽하게 숨겨, 구현과 API를 깔끔하게 분리합니다.

오직 API를 통해서만 다른 컴포넌트와 소통하며 서로의 내부 동작 방식에는 전혀 신경을 쓰지 않습니다.

정보 은닉, 혹은 캡슐화라고 하는 이 개념은 소프트웨어 설계의 근간이 되는 원리입니다.

정보 은닉의 장점

정보 은닉의 장점은 굉장히 많습니다.

그 중 대부분은 시스템을 구성하는 컴포넌트들을 서로 독립시켜서 개발, 테스트, 최적화, 적용, 분석, 수정을 개별적으로 할 수 있게 해주는 것과 연관되어 있습니다.

정보 은닉의 장점은 다음과 같습니다.

1. 시스템 개발 속도를 높여줍니다.
   • 여러 컴포넌트를 병렬로 개발할 수 있기 때문입니다.
2. 시스템 관리 비용을 낮춥니다.
   • 각 컴포넌트를 더 빨리 파악하여 디버깅할 수 있고, 다른 컴포넌트로 교체하는 부담도 적기 때문입니다.
3. 정보 은닉 자체가 성능을 높여주지는 않지만, 성능 최적화에 도움을 줍니다.
   • 완성된 시스템을 프로파일링해 최적화할 컴포넌트를 정한 다음(아이템 67), 다른 컴포넌트에 영향을 주지 않고 해당 컴포넌트만 최적화할 수 있기 때문입니다.
4. 소프트웨어 재사용성을 높여줍니다.
   • 외부에 거의 의존하지 않고 독자적으로 동작할 수 있는 컴포넌트라면 그 컴포넌트와 함께 개발되지 않은 낯선 환경에서도 유용하게 쓰일 가능성이 크기 때문입니다.
5. 큰 시스템을 제작하는 난이도를 낮춰줍니다.
   • 시스템 전체가 아직 완성되지 않은 상태에서도 개별 컴포넌트의 동작을 검증할 수 있기 때문입니다.

자바는 정보 은닉을 위한 다양한 장치를 제공합니다.

그 중 접근 제어 메커니즘은 클래스, 인터페이스, 멤버의 접근성을 명시합니다.

각 요소의 접근성은 그 요소가 선언된 위치와 접근 제한자(private, protected, public)로 정해집니다.

기본 원칙은 간단합니다.

"모든 클래스와 멤버의 접근성을 가능한 한 좁혀야 한다"입니다.

달리 말하면, 소프트웨어가 올바로 동작하는 한 항상 가장 낮은 접근 수준을 부여해야 한다는 뜻입니다.

(가장 바깥이라는 의미의) 톱레벨 클래스와 인터페이스에 부여할 수 있는 접근 수준은 package-private과 public 두 가지입니다.

톱레벨 클래스나 인터페이스를 public으로 선언하면 공개 API가 되며, package-private으로 선언하면 해당 패키지 안에서만 이용할 수 없습니다.

패키지 외부에서 쓸 이유가 없다면 package-private으로 선언합시다.

그러면 이들은 API가 아닌 내부 구현이 되어 언제든 수정할 수 있습니다.

즉, 클라이언트에 아무런 피해 없이 다음 릴리스에서 수정, 교체, 제거가 가능합니다.

반면, public으로 선언한다면 API가 되므로 하위 호환을 위해 영원히 관리해줘야만 합니다.

접근 수준

한 클래스에서만 사용하는 pakcage-private 톱레벨 클래스나 인터페이스는 이를 사용하는 클래스 안에 private static으로 중첩시켜봅시다. (아이템 24)

톱레벨로 두면 같은 패키지의 모든 클래스가 접근할 수 있지만, private static으로 중첩시키면 바깥 클래스 하나에서만 접근할 수 있습니다.

한편, 이보다 훨씬 중요한 일이 있습니다.

바로, public일 필요가 없는 클래스의 접근 수준을 pakcage-private 톱레벨 클래스로 좁히는 일입니다.

public 클래스는 그 패키지의 API인 반면, pakcage-private 톱레벨 클래스는 내부 구현에 속하기 때문입니다.

멤버(필드, 메서드, 중첩 클래스, 중첩 인터페이스)에 부여할 수 있는 접근 수준은 네 가지입니다.

• private : 멤버를 선언한 톱레벨 클래스에서만 접근할 수 있습니다.
• package-private : 멤버가 소속된 패키지 안의 모든 클래스에서 접근할 수 있습니다. 접근 제한자를 명시하지 않았을 때 적용되는 패키지 접근 수준입니다.(단, 인터페이스의 멤버는 기본적으로 public이 적용됩니다.)
• protected : package-private의 접근 범위를 포함하며, 이 멤버를 선언한 클래스의 하위 클래스에서도 접근할 수 있습니다.
• public : 모든 곳에서 접근할 수 있습니다.

클래스의 공개 API를 세심하게 설계한 후, 그 외의 모든 멤버는 private으로 만듭시다.

그런 다음 오직 같은 패키지의 다른 클래스가 접근해야 하는 멤버에 한하여 (private 제한자를 제거해) package-private으로 풀어줍시다.

권한을 풀어주는 일을 자주 하게 된다면 여러분 시스템에서 컴포넌트를 더 분해해야 하는 것은 아닌지 다시 고민해봅시다.

private와 package-private 멤버는 모두 해당 클래스의 구현에 해당하므로 보통은 공개 API에 영향을 주지 않습니다.

단, Serializable을 구현한 클래스에서는 그 필드들도 의도치 않게 공개 API가 될 수도 있습니다.

(아이템 86, 아이템 87)

public 클래스에서는 멤버의 접근 수준을 pakcage-private에서 protected로 바꾸는 순간 그 멤버에 접근할 수 있는 대상 범위가 엄청나게 넓어집니다.

public 클래스의 protected 멤버는 공개 API이므로 영원히 지원되어야 합니다.

또한 내부 동작 방식을 API 문서에 적어 사용자에게 공개해야 할 수도 있습니다. (아이템 19)

따라서 protected 멤버의 수는 적을수록 좋습니다.

그런데 멤버 접근성을 좁히지 못하게 방해하는 제약이 하나 있습니다.

상위 클래스의 메서드를 재정의할 때에는 그 접근 수준을 상위 클래스에서보다 좁게 설정할 수 없습니다.

이 제약은 상위 클래스의 인스턴스는 하위 클래스의 인스턴스로 대체해 사용할 수 있어야 한다는 규칙(아이템 10)을 지키기 위해 필요합니다.

이 규칙을 어기면 하위 클래스를 컴파일할 때 컴파일 오류가 납니다.

클래스가 인터페이스를 구현하는 건 이 규칙의 특별한 예로 볼 수 있고, 이 때 클래스는 인터페이스가 정의한 모든 메서드를 public으로 선언해야 합니다.

테스트에서의 접근 수준

단지 코드를 테스트하려는 목적으로 클래스, 인터페이스, 멤버의 접근 범위를 넓히려 할 때가 있습니다.

적당한 수준까지는 넓혀도 괜찮습니다.

예를 들어, public 클래스의 private 멤버를 package-private까지 풀어주는 것은 허용할 수 있지만, 그 이상은 안됩니다.

즉, 테스트만을 위해 클래스, 인터페이스, 멤버를 공개 API로 만들어서는 안 됩니다.

다행히 이렇게 해야 할 이유도 없습니다.

테스트 코드를 테스트 대상과 같은 패키지에 두면 pakcage-private 요소에 접근할 수 있기 때문입니다.

public 클래스의 인스턴스 필드는 되도록 public이 아니어야 합니다. (아이템 16)

필드가 가변 객체를 참조하거나, final이 아닌 인스턴스 필드를 public으로 선언하면 그 필드에 담을 수 있는 값을 제한할 힘을 잃게 됩니다.

그 필드와 관련된 모든 것은 불변식을 보장할 수 없게 된다는 뜻입니다.

여기에 더해, 필드가 수정될 때 다른 작업을 할 수 없게 되므로 public 가변 필드를 갖는 클래스는 일반적으로 thread-safe하지 않습니다.

스레드 안전 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전

심지어 필드가 final이면서 불변 객체를 참조하더라도 문제는 여전히 남습니다.

내부 구현을 바꾸고 싶어도 그 public 필드를 없애는 방식으로는 리팩터링할 수 없게 됩니다.

이러한 문제는 정적 필드에서도 마찬가지이나, 예외가 하나 있습니다.

해당 클래스가 표현하는 추상 개념을 완성하는 데 꼭 필요한 구성요소로써의 상수라면 public static final 필드로 공개해도 좋습니다.

관례상 이런 상수의 이름은 대문자 알파벳으로 쓰며 각 단어 사이에 밑줄(_)을 넣습니다. (아이템 68)

이런 필드는 반드시 기본 타입 값이나 불변 객체를 참조해야 합니다. (아이템 17)

가변 객체를 참조한다면 final이 아닌 필드에 적용되는 모든 불이익이 그대로 적용됩니다.

다른 객체를 참조하지는 못하지만, 참조된 객체 자체는 수정될 수 있으니 끔찍한 결과를 초래할 수도 있는 것입니다.

길이가 0이 아닌 배열은 모두 변경 가능하니 주의합시다.

따라서 클래스에서 public static final 배열 필드를 두거나 이 필드를 반환하는 접근자 메서드를 제공해서는 안됩니다.

이런 필드나 접근자를 제공한다면 클라이언트에서 그 배열의 내용을 수정할 수 있게 됩니다.

예를 들어 다음 코드에서는 보안 허점이 존재합니다.

public static final Thing[] VALUES = { ... };

어떤 IDE가 생성하는 접근자는 private 배열 필드의 참조를 반환하여 이 같은 문제를 똑같이 일으키니 주의합시다.

해결책은 두 가지입니다.

[1]. public 배열을 private으로 만들고 public 불변 리스트를 추가하라.

private static final Thing[] PRIVATE_VALUES = { ... };
public static final List<Thing> VALUES = 
    Collections.unmodifiableList(Arrays.asList(PRIVATE_VALUES));

[2]. 배열을 private으로 만들고 그 복사본을 반환하는 public 메서드를 추가하라.(방어적 복사)

private static final Thing[] PRIVITE_VALUES = { ... };
public static final Thing[] values() {
    return PRIVATE_VALUES.clone();
}

클라이언트가 무엇을 원하느냐를 판단하여 둘 중하나를 선택하면 됩니다.

어느 반환 타입이 더 쓰기 편할지, 성능은 어느 쪽이 나을지를 고민하여 정하면 됩니다.

암묵적 접근 수준

자바 9에서는 모듈 시스템이라는 개념이 도입되면서 두 가지 암묵적 접근 수준이 추가되었습니다.

패키지가 클래스들의 묶음이듯, 모듈은 패키지들의 묶음입니다.

모듈은 자신에 속하는 패키지 중 공개(export)할 것들을 (관례상 module-info.java 파일에) 선언합니다.

protected 혹은 public 멤버라도 해당 패키지를 공개하지 않았다면 모듈 외부에서는 접근할 수 없습니다.

물론 모듈 안에서는 exports로 선언했는지 여부에 아무런 영향도 받지 않습니다.

모듈 시스템을 활용하면 클래스를 외부에 공개하지 않으면서도 같은 모듈을 이루는 패키지 사이에서는 자유롭게 공유할 수 있습니다.

이 문단 첫 문장에서 이야기한 두 가지 암묵적 접근 수준은 바로 이 숨겨진 패키지 안에 있는 public 클래스의 public 혹은 protected 멤버와 관련이 있습니다.

이 암묵적 접근 수준들은 각각 public 수준, protected 수준과 같으나, 그 효과가 모듈 내부로 한정되는 변종이라고 생각하시면 됩니다.

이런 형태로 공유해야 하는 상황은 흔하지 않습니다.

그래야 하는 상황이 벌어지더라도 패키지들 사이에서 클래스들을 재배치하면 대부분 해결됩니다.

앞서 다룬 4개의 기존 접근 수준과 달리, 모듈에 적용되는 새로운 두 접근 수준은 상당히 주의해서 사용해야 합니다.

여러분 모듈의 JAR 파일을 자신의 모듈 경로가 아닌 애플리케이션의 클래스패스에 두면 그 모듈 안의 모든 패키지는 마치 모듈이 없는 것처럼 행동합니다.

즉, 모듈이 공개했는지 여부와 상관없이, public 클래스가 선언한 모든 public 혹은 protected 멤버를 모듈 밖에서도 접근할 수 있게 됩니다.

새로 등장한 이 접근 수준을 적극 활용한 대표적인 예가 바로 JDK 자체입니다.

자바 라이브러리에서 공개하지 않은 패키지들은 해당 모듈 밖에서는 절대로 접근할 수 없습니다.

접근 보호 방식이 추가된 것 말고도, 모듈은 여러 면에서 자바 프로그래밍에 영향을 줍니다.

사실 모듈의 장점을 제대로 누리려면 해야 할 일이 많습니다.

먼저 패키지들을 모듈 단위로 묶고, 모듈 선언에 패키지들의 모든 의존성을 명시합니다.

그런 다음 소스 트리를 재배치하고, 모듈 안으로부터 (모듈 시스템을 적용하지 않는) 일반 패키지로의 모든 접근에 특별한 조치를 취해야 합니다.

JDK 외에도 모듈 개념이 널리 받아들여질지 예측하기는 아직 이른 감이 있다고 합니다.

그러니 꼭 필요한 경우가 아니라면 당분간은 사용하지 않는 게 좋을 것 같습니다.

정리

• 프로그램 요소의 접근성은 가능한 한 최소한으로 하라.
• 꼭 필요한 것만 골라 최소한의 public API를 설계하자.
• 그 외에는 클래스, 인터페이스, 멤버가 의도치 않게 API로 공개 되는 일이 없도록 하자.
• public 클래스는 상수용 public static final 필드 외에는 어떠한 public 필드도 가져서는 안 된다.
• public static final 필드가 참조하는 객체가 불변인지 확인하라.