effectively final: 람다 표현식 내에서 사용하는 변수가 final 처럼 사용되어야 하는 이유

1. Overview

Java 의 람다 표현식은 익명 함수처럼 자유 변수 (Free Variable) 를 활용할 수 있습니다.

여기서 자유변수란 파라미터로 넘겨진 변수가 아닌 외부에서 정의된 변수 를 의미합니다.

2. 지역 변수 제약

하지만 모든 자유 변수를 사용할 수 있는건 아닙니다.

변수의 종류에는 클래스 변수, 인스턴스 변수, 지역 변수가 있는데 이 중에서 지역 변수는 final 이거나 final 처럼 사용 되어야 합니다.

여기서 final 처럼 사용되어야 한다는건 effectively final 라고 표현하는데 final 선언이 되어 있지 않지만 변수의 재할당이 발생하지 않는 변수 를 의미합니다.

3. Effectively final

람다 표현식에서 사용 불가능한 지역 변수는 인텔리제이에서 다음과 같이 경고해줍니다.

Variable used in lambda expression should be final or effectively final

간단한 예를 통해 effectively final 가 뭔지 쉽게 이해해 봅니다.

3.1. 가능

int number = 1357;
Runnable r = () -> System.out.println(number);

위 코드에서 number 변수는 final 선언이 되어 있지 않지만 에러가 발생하지 않습니다.

변수의 재할당이 이루어지지 않았기 때문입니다.

3.2. 불가능

int number = 1357;
number = 2;
Runnable r = () -> System.out.println(number);

위 코드는 number 가 한번 선언된 후 2 로 재할당 되었기 때문에 람다 표현식 내부에서 사용 불가능합니다.

int number = 1357;
Runnable r = () -> System.out.println(number);
number = 3;

마찬가지로 사용한 이후에 변경되어도 사용 불가능합니다.

4. 이유가 뭘까?

우선 인스턴스 변수와 지역 변수의 차이점부터 알아야 합니다.

인스턴스 변수는 힙에 저장되고 지역 변수는 스택에 저장됩니다.

스택 영역은 힙과 달리 각 쓰레드끼리 공유되지 않는 영역 입니다.

참고로 클래스 변수는 쓰레드끼리 공유 되는 메소드 영역에 저장됩니다.

4.1. Lambda Capturing

람다 표현식은 다른 쓰레드에서도 실행 가능합니다.

만약 A 쓰레드에서 생성한 람다 표현식을 B 쓰레드에서 사용한다고 생각해봅니다.

인스턴스 변수는 쓰레드끼리 공유 가능한 힙 영역에 저장되기 때문에 공유 가능하지만 스택 영역에 있는 지역 변수는 외부 쓰레드에서 접근 불가능합니다.

따라서 자바에서는 스택 영역에 있는 변수를 사용할 수 있도록 지역 변수의 복사본을 제공해서 람다 표현식에서 접근 가능하도록 합니다.

이를 람다 캡쳐링이라고 합니다.

그런데 원본 값이 바뀌면 복사본에 있는 값과의 동기화가 보장되지 않기 때문에 동시성 이슈가 발생합니다.

그래서 지역 변수는 값이 변하지 않는다는 final 임이 보장되어야 합니다.

5. Conclusion

Inner 클래스, 익명 (Anonymous) 클래스, 람다 표현식 등에서 사용되는 외부 지역 변수가 final 또는 effectively final 상태여야 하는 이유를 알아봤습니다.

요약하면 아래와 같습니다.

1. 람다 표현식은 여러 쓰레드에서 사용할 수 있다.
2. 힙 영역에 저장되는 인스턴스 변수와 달리 스택 영역에 저장되는 지역 변수는 외부 쓰레드에서 접근 불가능하다.
3. 외부 쓰레드에서도 지역 변수 값을 사용할 수 있도록 복사본 기능을 제공하는데 이를 람다 캡쳐링이라고 한다.
4. 복사본은 원본의 값이 바뀌어도 알 수 없기 때문에 쓰레드 동기화를 위해 지역 변수는 final 또는 effectively final 상태여야 한다.

Reference

• Modern Java in Action
• Why Do Local Variables Used in Lambdas Have to Be Final or Effectively Final? - Baeldung