[Effective Java] 아이템 11. equals를 재정의하려거든 hashCode도 재정의하라

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[Effective Java] 아이템 11. equals를 재정의하려거든 hashCode도 재정의하라

메성 2020. 2. 10. 02:08

equals를 재정의하려거든 hashCode도 재정의하라

equals를 재정의한 클래스 모두에서는 hashCode도 재정의해야한다.

만약, hashCode를 재정의하지 않을 시, HashMap이나 HashSet 같은 컬렉션의 원소로 사용할 때 문제를 일으킬 것이다.

Object 명세에서 발췌한 규약을 살펴보자

Equals 비교에 사용되는 정보가 변경되지 않았다면, hashCode 메소드는 몇번을 호출해도 항상 같은 값을 반환해야 한다. 단, 애플리케이션이 다시 시작할 시에는 이 값이 달라져도 상관 없다.
equals(Object)가 두 객체를 같다고 판단했다면, 두 객체의 hashCode는 똑같은 값을 반환해야 한다.
equals(Object)가 두 객체르 다르다고 판단했더라도, 두 객체의 hashCode가 서로 다른 값을 반환할 필요는 없다. 단, 다른 값에 대해서는 hashCode 역시 다른 값을 반환해야 해시 테이블 성능이 좋아진다.

hashCode 재정의를 잘못했을 때 크게 문제가 되는 조항은 두 번째이다.

즉, 논리적으로 같은 객체는 같은 해시코드를 반환해야 한다.

equals는 물리적으로 다른 두 객체를 논리적으로는 같다고 할 수 있다.(참조하고 있는 값이 같을 시) 하지만 Object의 기본 hashCode()에서는 이 둘이 전혀 다르다고 판단한다.

Ex. 아이템 10의 PhoneNumber 클래스의 인스턴스를 HashMap의 원소로 사용한다고 해보자.

Map<PhoneNumber, String> m = new HashMap<>();
m.put(new PhoneNumber(707, 867, 5309), "제니");

이 코드 다음에
```
m.get(new PhoneNumber(707, 867, 5309))
```
해당 코드를 실행하면 제니가 나와야할 거 같지만, 실질적으로 null 이 반환된다.
Why?
- 여기에는 두 개의 PhoneNumber 클래스가 사용 되었다. 첫번째는 "제니"를 넣을 때(논리적 동치), 두번째는 이를 꺼내려고 할 때 사용되었다.
- PhoneNumber 클래스는 hashCode를 재정의하지 않았기 때문에 논리적 동치인 두 객체가 서로 다른 해시코드를 반환하여 두 번째 규약을 지키지 못한 것이다.
  - new를 통해서 서로 다른 객체를 key로 사용하여 hashCode를 뽑아내어 두 객체는 서로 다른 해시코드가 반환된다.
  - 즉, get 메소드는 엉뚱한 해시 버킷을 찾아가서 객체를 찾으려고 했던 것이다. 하지만, 두 객체가 동일한 버킷에 존재했더라도 결과값은 null이었을 것이다.
  - 그 이유는, HashMap은 해시코드가 다른 엔트리끼리는 동치성 비교를 시도조차 하지 않기 때문이다.
- 이 문제는 PhoneNumber에 hashCode()만 작성해주면 된다.
```
@Overrdie
public int hashcode() {
  return 42;
}
```
  - 하지만, 절대 사용해서는 안된다. 왜? 해시코드를 고정값으로 지정하면 같은 해시 버킷에 축적되어 마치 링크드 리스트 처럼 동작하게 될 것이기 때문이다.
  - 결과적으로 평균 O(1)의 속도가 O(n)으로 느려지게 될 것이다.

좋은 해시 함수라면 서로 다른 인스턴스에 다른 해시코드를 반환한다. (hashCode의 세번째 규약)

이상적인 해시 함수는 서로 다른 인스턴스들을 32비트 정수 범위에 균일하게 분배해야한다.

hashCode의 작성 요령을 살펴보자

int 변수인 result를 선언한 후 값을 c로 초기화한다.
- 이 때, c는 해당 객체의 첫번째 핵심 필드를 단계 2.1 방식으로 계산한 해시코드이다.
- 여기서 핵심 필드는 아이템 10에서 equals 비교에 사용되는 필드를 말한다.
해당 객체의 나머지 핵심 필드인 f 각각에 대해 다음 작업을 수행한다.
1. 해당 필드의 해시코드 c 를 계산한다.
  - 기본 타입 필드라면, Type.hashCode(f)를 수행한다. 여기서 Type은 해당 기본타입의 박싱 클래스다.
  - 참조 타입 필드면서, 이 클래스의 equals 메소드가 이 필드의 equals를 재귀적으로 호출하여 비교한다면, 이 필드의 hashCode를 재귀적으로 호출한다.
  - 필드가 배열이라면, 핵심 원소 각각을 별도 필드처럼 다룬다.
2. 단계 2.1에서 계산한 해시코드 c로 result를 갱신한다.
  - result = 31(소수) * result + c;
  - 31이라는 숫자대신 짝수가 오게되면 해시 충돌이 자주 일어나게 된다.
  - 31이라는 숫자를 사용하면 시프트 연산 및 뺄셈으로 대체해 최적화 할 수 있다.
    - 31 * i 는 (i << 5) - i와 같다.
result를 반환한다.

hashCode를 다 구현했다면, 이 메소드가 동치인 인스턴스에 대해 똑같은 해시코드를 반환하는 지 확인해보자

검증할 단위 테스트를 작성하자
파생 필드는 해시코드 계산에서 제외해도 된다.
equals 비교에 사용되지 않은 필드는 반드시 제외해야 한다. 그렇지 않으면 hashCode 규약의 두번째를 어기게 될 위험이 있다.

이제 해당 hashCode 구현 요령을 사용하여 PhoneNumber 클래스를 수정해보자

//PhoneNumber 클래스
@Override
public int hashCode() {
  int result = Short.hashCode(areaCode);
  result = 31 * result + Short.hashCode(prefix);
  result = 31 * result + Short.hashCode(lineNum);
  return result;
}

이 메소드는 PhoneNumber 인스턴스의 핵심 필드 3개(areaCode, prefix, lineNum)만을 사용해 간단한 계산만 수행한 것이다.

해시 함수를 사용하여 해시코드값을 뽑아내는 PhoneNumber 클래스

//PhoneNumber 클래스
@Override
public int hashCode() {
  return Objects.hash(lineNum, prefix, areaCode);
}

한줄이라는 장점을 보여주고 있지만, 아쉽게도 속도가 느리다.

이유는, 입력 인수를 담기위한 배열이 만들어지며, 입력 중 기본 타입이 있다면 박싱과 언박싱도 거쳐야 한다.

//Objects.hash()
public static int hash(Object... values) {
  return Arrays.hashCode(values);
}

public static int hashCode(Object[] a) {
  if (a == null) {
    return 0;
  } else {
    int result = 1;
    Object[] var2 = a;
    int var3 = a.length;

    for(int var4 = 0; var4 < var3; ++var4) {
      Object element = var2[var4];
      result = 31 * result + (element == null ? 0 : element.hashCode());
    }

    return result;
  }
}

클래스가 불변이고 해시코드를 계산하는 비용이 크다면, 매번 새로 계산하기 보다는 캐싱하는 방식을 고려해라.

이 타입의 객체가 주로 해시의 키로 사용될 것 같다면 인스턴가 만들어질 때 해시코드를 계산해둬야 한다.

해시의 키로 사용되지 않는 경우라면 hashCode가 처음 불릴 때 계산하는 지연 초기화 전략을 사용해보자

필드를 지연초기화 하려면 그 클래스를 스레드에 안전하게 만들도록 신경써야 한다.

PhoneNumber 클래스를 수정해보자

private int hashCode;    //자동으로 0으로 초기화

@Override
public int hashCode() {
  int result = hashCode;
  if(result == 0) {    //스레드 안정성 고려
    result = Short.hashCode(areaCode);
    result = 31 * result + Short.hashCode(prefix);
      result = 31 * result + Short.hashCode(lineNum);
    hashCode = result;
  }
  return result;
}

주의

성능을 높인답시고 해시코드를 계산할 때 핵심 필드를 생략해서는 안된다.

속도는 빨라지나, 해시 품질이 나빠져 해시 테이블 성능을 심각하게 떨어뜨릴 수 있다.
만약 빼먹은 필드 중 어떤 필드는 특정 영역에 몰리는 인스턴스들의 해시코드를 넓은 범위로 퍼트려주는 효과가 있을 수도 있다.

hashCode가 반환하는 값의 생성 규칙을 API 사용자에게 자세히 공표하지 말자

그래야 클라이언트가 이 값에 의지하지 않게 되고, 추후에 계산 방식을 바꿀 수 있다.

핵심 정리

equals를 재정의할 때는 hashCode도 반드시 재정의해야 한다.
- 그렇지 않으면 프로그램이 정상 동작 하지 않을 것이다.
재정의한 hashCode는 Object 문서에 기술된 일반 규약을 따라야 하며, 서로 다른 인스턴스라면 되도록 hashCode도 서로 다르게 구현해야 한다.

간략 정리

equals만 재정의한 Test 클래스가 있다.

Test 클래스는 HashMap의 key값을 사용되고, put과 get을 실행한다.

HashMap<Test, String> hs = new HashMap<>();
hs.put(new Test(code, num1, num2), "string");
hs.get(new Test(code, num1, num2));

key값이 서로 다른 객체로 put과 get을 진행하므로 hashCode 값은 서로 다르게 되어진다.
- hashCode를 재정의 하지 않았으므로!
동일한 hashCode를 선별하기 위해 Test 클래스의 핵심 필드(code, num1, num2)를 활용하여 hashCode를 만들 수 있게 재정의한다.
```
@Overrdie
public int hashCode() {
  result = Short.hashCode(code);
  result = 31 * result + Short.hashCode(num1);
  result = 31 * result + Short.hashCode(num2);
}
```
- 31(버킷 사이즈)이라는 숫자는 소수값으로 임의로 정한 것이다.

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