Java 자바 ArrayList 동작 원리와 사용법

ArrayList란 무엇인가?

ArrayList는 자바에서 가장 널리 사용되는 컬렉션 중 하나로, 가변 크기의 배열을 구현한 클래스입니다. 이는 배열과 비슷한 특성을 가지지만, 데이터의 동적 추가와 제거가 가능하다는 점에서 큰 장점을 지닙니다. 이 글에서는 ArrayList의 구조와 특성, 장단점, 사용 예제 등을 자세하게 다루어, 여러분이 ArrayList를 제대로 이해하고 활용할 수 있도록 도와드리겠습니다.

ArrayList는 자바의 java.util 패키지에 포함된 클래스로, 배열의 단점을 보완하여 더 유연하게 데이터를 관리할 수 있도록 도와줍니다. 기본 배열(array)은 생성 시 크기가 고정되며, 변경이 불가능한 반면 ArrayList는 크기가 자동으로 조정되어 데이터를 추가하거나 삭제할 수 있습니다. 이로 인해 ArrayList는 요소의 개수가 동적으로 변할 수 있는 상황에서 매우 유용하게 사용됩니다.

주요 특징

• 동적 크기 조절: 요소가 추가되면 내부 배열의 크기가 자동으로 증가합니다.
• 순차적 저장: 인덱스를 통해 요소에 직접 접근할 수 있는 특징을 지니며, 배열과 같은 방식으로 인덱싱을 통해 빠르게 데이터를 검색할 수 있습니다.
• 중복 허용: ArrayList는 중복된 요소를 허용합니다.
• 비동기적: ArrayList는 스레드 안전하지 않으며, 멀티스레드 환경에서는 동기화가 필요합니다.

ArrayList의 내부 구조

ArrayList는 내부적으로 배열을 사용하여 데이터를 관리합니다. 기본적으로 ArrayList의 초기 용량은 10이며, 만약 추가적인 요소를 저장해야 할 때 용량을 초과하게 되면, 내부 배열의 크기가 1.5배로 증가하게 됩니다. 이는 ensureCapacity()라는 메서드를 통해 이루어지며, 이 과정에서 새로운 배열이 생성되고 기존 요소들이 새로운 배열로 복사됩니다. 따라서 크기 조정이 자주 일어나면 성능 저하가 발생할 수 있습니다.

동작 원리

• 초기 생성: ArrayList를 생성할 때 초기 용량을 설정할 수 있으며, 기본값은 10입니다.
• 자동 확장: 새로운 요소가 추가되어 현재 용량을 초과할 경우, ArrayList는 새로운 배열을 만들어 현재 배열의 내용을 복사한 후 추가합니다. 이 과정은 O(n)의 시간 복잡도를 가지므로, 많은 데이터를 다룰 때 주의가 필요합니다.

ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
list.add("Apple");
list.add("Banana");
list.add("Cherry");

위 코드에서 요소가 추가될 때마다 내부 배열의 크기가 적절히 조절되며, 이는 사용자가 명시적으로 크기를 관리할 필요 없이 동적으로 관리됩니다.

메모리 관리와 확장 전략

• 확장 정책: ArrayList의 내부 배열 크기는 용량을 초과할 경우 기존 크기의 1.5배로 확장됩니다. 예를 들어, 초기 용량이 10일 때 11번째 요소가 추가되면 내부 배열은 15로 크기가 조정됩니다.
• 메모리 낭비 최소화: 만약 요소의 수가 매우 줄어든 경우, trimToSize() 메서드를 사용하여 현재 사용 중인 요소 수에 맞게 용량을 조정할 수 있습니다. 이를 통해 메모리 낭비를 줄일 수 있습니다.

list.trimToSize();

이 메서드는 리스트의 크기를 현재 요소의 수에 맞게 조정하여 불필요한 메모리를 줄이는 데 유용합니다.

주요 메서드와 사용법

요소 추가 (add() 메서드)

ArrayList에 요소를 추가하는 가장 기본적인 메서드는 add()입니다. 이 메서드는 끝에 새로운 요소를 추가하며, 시간 복잡도는 평균적으로 O(1)입니다. 다만, 내부 배열의 크기를 변경해야 하는 상황에서는 O(n)의 복잡도를 가지게 됩니다.

ArrayList<Integer> numbers = new ArrayList<>();
numbers.add(1);
numbers.add(2);
numbers.add(3);

특정 위치에 요소 추가 (add(index, element) 메서드)

특정 위치에 요소를 추가할 수도 있습니다. 이 경우 해당 인덱스 이후의 모든 요소들이 한 칸씩 뒤로 이동해야 하기 때문에 시간 복잡도는 O(n)입니다.

numbers.add(1, 10);  // 인덱스 1에 값 10을 추가

요소 접근 (get() 메서드)

get() 메서드를 사용하면 인덱스를 통해 특정 요소에 접근할 수 있습니다. 이는 배열처럼 O(1)의 시간 복잡도를 가지며, 빠르게 원하는 요소를 검색할 수 있습니다.

int number = numbers.get(1);  // 결과: 10

요소 수정 (set() 메서드)

특정 위치의 요소를 수정할 수 있습니다. 이는 O(1)의 시간 복잡도를 가지며, 요소의 값을 직접 변경합니다.

numbers.set(1, 20);  // 인덱스 1의 값을 20으로 변경

요소 제거 (remove() 메서드)

remove() 메서드는 특정 인덱스에 있는 요소를 제거하거나 특정 값을 가진 첫 번째 요소를 제거합니다. 이 경우 요소를 제거한 뒤 나머지 요소들을 앞으로 이동시키기 때문에, 최악의 경우 O(n)의 시간 복잡도를 가집니다.

numbers.remove(1);  // 인덱스 1의 요소(20)를 제거

리스트 크기 확인 (size() 메서드)

리스트에 포함된 요소의 수를 반환하는 size() 메서드는 O(1)의 시간 복잡도를 가집니다.

int size = numbers.size();  // 현재 리스트 크기 반환

리스트 비우기 (clear() 메서드)

모든 요소를 제거하고 리스트를 비웁니다. 시간 복잡도는 O(n)이며, 요소들을 한 번에 제거합니다.

numbers.clear();  // 모든 요소 제거

ArrayList의 장단점

장점

1. 빠른 검색 속도: 인덱스를 이용한 요소 접근이 가능하므로, 검색의 시간 복잡도는 O(1)입니다.
2. 동적 크기 조절: 배열과 달리, 크기를 미리 지정할 필요가 없어 데이터의 추가와 삭제가 용이합니다.
3. 유연한 사용: 컬렉션 프레임워크의 다양한 메서드를 사용할 수 있어 데이터 관리가 용이합니다.

단점

1. 느린 삽입과 삭제: 중간에 요소를 삽입하거나 제거할 때는 나머지 요소들을 이동시켜야 하므로, 최악의 경우 O(n)의 시간 복잡도를 가집니다.
2. 메모리 낭비 가능성: 내부 배열의 크기가 증가할 때, 사용되지 않는 공간이 발생할 수 있어 메모리 낭비가 일어날 수 있습니다.
3. 스레드 안전하지 않음: 기본적으로 ArrayList는 비동기적이므로, 멀티스레드 환경에서는 동기화 처리가 필요합니다.

효율적인 사용 방법

• 초기 용량 설정: 많은 데이터를 다룰 경우, 예상되는 데이터 크기만큼 초기 용량을 설정하여 크기 조절에 드는 비용을 줄일 수 있습니다.
• 빈번한 삽입/삭제 작업이 있는 경우: 중간에 데이터를 자주 삽입하거나 삭제해야 하는 경우 LinkedList가 더 적합할 수 있습니다
• 멀티스레드 환경: 멀티스레드 환경에서 안전하게 사용하려면 Collections.synchronizedList()를 사용하여 동기화된 리스트로 변환할 수 있습니다.

ArrayList vs LinkedList

ArrayList와 LinkedList는 둘 다 List 인터페이스를 구현하고 있지만, 내부 구조와 특성에서 차이가 있습니다. ArrayList는 검색 속도가 빠르지만 삽입/삭제에 비효율적입니다. 반면 LinkedList는 삽입/삭제가 빠르지만 인덱스를 통한 접근이 느립니다. 따라서 읽기 작업이 많은 경우에는 ArrayList를, 삽입/삭제 작업이 빈번한 경우에는 LinkedList를 사용하는 것이 좋습니다.

ArrayList 사용 예제

다음은 ArrayList를 사용하여 학생들의 이름을 관리하는 간단한 예제입니다.

import java.util.ArrayList;

public class StudentList {
    public static void main(String[] args) {
        ArrayList<String> students = new ArrayList<>();
        students.add("Minsu");
        students.add("Jihyun");
        students.add("Soyeon");

        // 학생 목록 출력
        for (String student : students) {
            System.out.println(student);
        }

        // 학생 제거
        students.remove("Jihyun");

        // 학생 목록 출력 (업데이트 후)
        System.out.println("\n업데이트된 학생 목록:");
        for (String student : students) {
            System.out.println(student);
        }
    }
}

위 코드에서 ArrayList는 학생들의 이름을 동적으로 관리하는 데 사용됩니다. 요소를 추가하고 제거하는 작업이 간단하게 이루어지며, 리스트의 크기도 자동으로 조절됩니다.

결론

ArrayList는 자바에서 매우 유용한 자료구조로, 동적 크기 조절과 빠른 요소 접근의 장점을 가지고 있습니다. 하지만 삽입/삭제 작업에서는 성능 저하가 발생할 수 있기 때문에, 사용 상황에 따라 적절한 리스트 타입을 선택하는 것이 중요합니다. ArrayList는 읽기 작업이 빈번한 경우에 특히 유용하며, 자바 개발 시 가장 많이 사용되는 컬렉션 중 하나입니다.

ArrayList를 제대로 이해하고 사용하는 것은 자바 프로그래밍에서 매우 중요한 요소입니다. 위에서 설명한 개념과 내부 동작 원리를 잘 이해하고 나면, ArrayList를 적절히 활용하여 다양한 상황에서 효율적으로 데이터를 관리할 수 있을 것입니다.

추가적으로, ArrayList를 사용하는 멀티스레드 환경에서의 주의 사항과 성능 최적화 전략을 고려하여, 프로그램의 요구사항에 맞는 적절한 자료구조를 선택하는 것이 중요합니다.