add: JCF 자료구조의 초기 용량을 지정하면 좋은 점

Author: Dockerel

documents/.vuepress/const.js

@@ -38,6 +38,7 @@ exports.JavaList = [
   "Java/자바에서-클래스-정보-알아내는-법.md",
   "Java/String-타입-캐스팅과-String.valueOf()-차이.md",
   "Java/자바-프로그램이-실행되는-흐름.md",
+  "Java/JCF-자료구조의-초기-용량을-지정하면-좋은-점.md",
 ];
 
 exports.OperatingSystemList = [

documents/Java/JCF-자료구조의-초기-용량을-지정하면-좋은-점.md

@@ -0,0 +1,199 @@
+# JCF 자료구조의 초기 용량을 지정하면 좋은 점
+## JCF란?
+* Java Collection Framework
+* 다수의 데이터를 쉽고 효과적으로 처리하기 위한 표준화된 방법을 제공하는 클래스의 집합
+* JCF 이전에는 사용 목적은 동일해도 각 Collection 마다 사용하는 메서드, 문법, 생성자가 달라 혼동하기 쉬웠음
+
+![](https://img1.daumcdn.net/thumb/R1280x0/?scode=mtistory2&fname=https%3A%2F%2Fblog.kakaocdn.net%2Fdna%2FvpsPl%2FbtreMDD0tUL%2FAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAOY0W9SN-qHzOM8p1vGHVkmeJj42JNeVkBF66uB9owSB%2Fimg.png%3Fcredential%3DyqXZFxpELC7KVnFOS48ylbz2pIh7yKj8%26expires%3D1767193199%26allow_ip%3D%26allow_referer%3D%26signature%3DAihdRCzUy803ZfNlp4aO0%252BgUx48%253D)
+
+* 이러한 문제를 해결하기 위해 공통의 인터페이스를 설계하였고, 이를 JCF(Java Collections Framework)라 함
+### JCF 도입 전
+```java
+// 배열 생성 - 크기 고정
+String[] names = new String[3];
+names[0] = "김철수";
+names[1] = "이영희";
+names[2] = "박민수";
+
+// 요소 접근
+String firstName = names[0];
+
+// 크기 확인
+int size = names.length;
+
+// 새 요소 추가 불가 - 배열 재생성 필요
+String[] newNames = new String[4];
+System.arraycopy(names, 0, newNames, 0, 3);
+newNames[3] = "최지훈";
+
+// 요소 삭제 불가 - 직접 구현 필요
+
+// ----------
+
+import java.util.Vector;
+
+// Vector 생성
+Vector names = new Vector(); // 제네릭 없음
+
+// 요소 추가 - addElement() 메서드
+names.addElement("김철수");
+names.addElement("이영희");
+names.addElement("박민수");
+
+// 요소 접근 - elementAt() 메서드
+String firstName = (String) names.elementAt(0); // 타입 캐스팅 필요
+
+// 크기 확인
+int size = names.size();
+
+// 요소 삭제 - removeElementAt() 메서드
+names.removeElementAt(1);
+```
+### JCF 도입 후 (JDK 1.2 이후)
+```java
+import java.util.List;
+import java.util.ArrayList;
+
+// List 생성 - 인터페이스 타입으로 선언
+List<String> names = new ArrayList<>(); // 제네릭 사용
+
+// 요소 추가 - add() 메서드 (통일된 인터페이스)
+names.add("김철수");
+names.add("이영희");
+names.add("박민수");
+
+// 요소 접근 - get() 메서드
+String firstName = names.get(0); // 타입 캐스팅 불필요
+
+// 크기 확인 - size() 메서드 (통일됨)
+int size = names.size();
+
+// 요소 삭제 - remove() 메서드 (통일된 인터페이스)
+names.remove(1);
+
+// 다른 Collection으로 쉽게 전환 가능
+List<String> linkedNames = new LinkedList<>(names);
+```
+
+* 도입 후 List 인터페이스를 통해 통일된 메서드 사용 가능 및 제네릭으로 타입 안정성도 확보됨
+
+## JCF에서 초기 용량을 지정하면 좋은 점
+* JCF에서 가변 크기의 자료 구조를 사용하는 경우, 초기 용량을 설정하면 리사이징을 줄이고 메모리와 연산 비용을 절약할 수 있음
+
+### 실험 코드
+```java
+import java.lang.management.ManagementFactory;
+import java.lang.management.MemoryMXBean;
+import java.lang.management.MemoryUsage;
+import java.util.ArrayList;
+import java.util.List;
+
+public class Main {
+    private static final int MAX = 5_000_000;
+
+    public static void main(String[] args) {
+        testWithDefaultCapacity();
+        System.gc();
+        try { Thread.sleep(1000); } catch (InterruptedException e) {}
+
+        testWithInitialCapacity();
+    }
+
+    private static void testWithDefaultCapacity() {
+        MemoryMXBean memoryMXBean = ManagementFactory.getMemoryMXBean();
+
+        long beforeUsed = getUsedHeap(memoryMXBean);
+        System.out.println("=== Default Capacity Test ===");
+        System.out.println("Before: " + beforeUsed + " MB");
+
+        long startTime = System.currentTimeMillis();
+        List<String> arr = new ArrayList<>(); // 기본 capacity = 10
+        for (int i = 0; i < MAX; i++) {
+            arr.add("a");
+        }
+        long endTime = System.currentTimeMillis();
+
+        long afterUsed = getUsedHeap(memoryMXBean);
+        System.out.println("After: " + afterUsed + " MB");
+        System.out.println("Memory used: " + (afterUsed - beforeUsed) + " MB");
+        System.out.println("Time: " + (endTime - startTime) + " ms");
+        System.out.println("Final capacity: ~6,153,400 (33 resizes)\n");
+    }
+
+    private static void testWithInitialCapacity() {
+        MemoryMXBean memoryMXBean = ManagementFactory.getMemoryMXBean();
+
+        long beforeUsed = getUsedHeap(memoryMXBean);
+        System.out.println("=== Initial Capacity Test ===");
+        System.out.println("Before: " + beforeUsed + " MB");
+
+        long startTime = System.currentTimeMillis();
+        List<String> arr = new ArrayList<>(MAX); // 초기 capacity = 5,000,000
+        for (int i = 0; i < MAX; i++) {
+            arr.add("a");
+        }
+        long endTime = System.currentTimeMillis();
+
+        long afterUsed = getUsedHeap(memoryMXBean);
+        System.out.println("After: " + afterUsed + " MB");
+        System.out.println("Memory used: " + (afterUsed - beforeUsed) + " MB");
+        System.out.println("Time: " + (endTime - startTime) + " ms");
+        System.out.println("Final capacity: 5,000,000 (0 resizes)");
+    }
+
+    private static long getUsedHeap(MemoryMXBean memoryMXBean) {
+        MemoryUsage heapUsage = memoryMXBean.getHeapMemoryUsage();
+        return heapUsage.getUsed() / 1024 / 1024;
+    }
+}
+```
+
+### 결과
+```bash
+=== Default Capacity Test ===
+Before: 3 MB
+After: 81 MB
+Memory used: 78 MB
+Time: 29 ms
+Final capacity: ~6,153,400 (33 resizes)
+
+=== Initial Capacity Test ===
+Before: 1 MB
+After: 21 MB
+Memory used: 20 MB
+Time: 19 ms
+Final capacity: 5,000,000 (0 resizes)
+```
+
+### 기본 용량 사용
+* 기본 용량(10)으로 시작한 경우, 용량이 가득 차면 기존 크기의 1.5배로 증가함
+```java
+// ArrayList.java
+
+private Object[] grow(int minCapacity) {
+    int oldCapacity = elementData.length;
+    if (oldCapacity > 0 || elementData != DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
+        int newCapacity = ArraysSupport.newLength(oldCapacity,
+                minCapacity - oldCapacity, /* minimum growth */
+                oldCapacity >> 1           /* preferred growth */);
+        return elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
+    } else {
+        return elementData = new Object[Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity)];
+    }
+}
+```
+* 위와 같이 여러 리사이징이 발생해 최종적으로 약 80MB 사용
+
+### 초기 용량 설정 사용
+* 불필요한 리사이징 없이 처음 설정한 크기로 유지되며 약 20MB만 사용함
+* 즉 JCF에서 가변 크기의 자료 구조를 사용하는 경우, 초기 용량을 설정하면 리사이징을 줄이고 메모리와 연산 비용 절약 가능
+
+## 로드 팩터와 임계점이란?
+* 로드 팩터(load factor)란 특정 크기의 자료 구조에 데이터가 얼마나 적재되었는지를 나타내는 비율
+* 임계점(threshold)란 가변적인 크기를 가진 자료구조에서 얼마나 크기를 증가시켜야 하는지를 나타내는 수치
+* 로드 팩터와 임계점을 사용하는 이유는 꽉 차기 전에 미리 확장하여 성능 저하를 방지하기 위함
+
+### 예시
+* JCF에서 HashMap의 경우에는 내부적으로 배열을 사용하며, 초기 사이즈는 16
+* 이때, HashMap의 기준 로드 팩터는 0.75이므로 임계점은 12(capacity * load factor = threshold)이고
+* 만약, HashMap 내부 배열의 사이즈가 12를 넘는 경우 내부 배열의 크기를 2배 늘리고, 재해싱을 수행