배열(Array)

Java 의 배열 (Array)

1. 기본적인 개념과 선언 방법

배열(Array) 은 같은 타입의 여러 값을 하나의 자료구조로 순차적으로 저장 할 수 있는 객체 임. 자바에서 배열의 모든 원소(element) 는 동일한 타입 을 가져야 하며, 배열 생성 시에 결정된 길이(length ) 를 속성으로 가지게 됨. 배열은 0부터 시작하는 인덱스 로 각 원소에 접근하며, 유효 범위를 벗어난 인덱스로 접근하면 ArrayIndexOutOfBoundsException 예외가 발생함.

배열 변수를 선언하는 문법은 두 가지 형태가 있음. 예를 들어 정수형 배열의 선언은 int[] numbers 형태로 할 수도 있고 int numbers[] 처럼 대괄호를 변수 이름 뒤에 붙이는 것도 가능함.(두 형태는 동일한 의미임) 그러나 배열 변수를 선언 하는 것만으로는 실제 배열이 생성되지 않으며, 반드시 new 연산자를 사용하여 배열 객체를 생성 해야함. 배열을 생성할 때는 크기 를 지정해야 하며, 한 번 결정된 배열의 크기는 변경할 수 없음.

배열은 기본형 타입 과 참조형 타입 에 대해 모두 만들 수 있음. 예를 들어 int[] intArray = new int[5]; 는 5개의 정수 값을 담을 수 있는 배열을 생성하며, String[] strArray = new String[3]; 는 3개의 문자열(String) 을 담을 수 있는 배열을 생성함. 이때 기본형 배열의 요소는 생성과 동시에 해당 타입의 기본값 으로 초기화됨. 예를 들어 숫자형 배열 요소는 0(또는 0.0), char 배열 요소는 \u000 (null 문자), boolean 배열 요소는 false 로 초기화 됨. 반면 참조형(객체) 배열 의 요소들은 기본적으로 null 로 초기화 됨.

즉, 객체 타입의 배열을 생성한 직후에는 각 원소가 아직 어떤 객체도 가리키지 않는 null 인 상태임. 아래 코드 예시는 배열의 선언과 생성, 그리고 초기 값을 확인하는 방법을 보여줌.

int[] nums = new int[3]; // 길이가 3인 int 배열 생성(기본 값으로 초기화)
System.out.println(nums.length); // result : 3
System.out.println(nums[0]); // result : 0 (int 배열의 기본값 0)

nums[0] = 10;
nums[1] = 20;
nums[2] = 30;
System.out.println(Arrays.toString(nums)); // result : [10, 20, 30]

String[] names = {"Alice", "Bob", "Charlie"}; // 선언과 동시에 초기화(길이 3)
System.out.println(names.length); // result : 3
System.out.println(names[1]); // result : Bob
names[1] = "David";
System.out.println(Arrays.toString(names)); // result : [Alice, David, Charlie]

위 코드에서 int[] nums = new int[3]; 처럼 배열 선언과 생성을 한 문장 으로 작성할 수도 있고,

String[] names = {"Alice", "Bob", "Charlie"}; 와 같이 리터럴 초기화 를 통해 배열을 바로 채워 넣을 수도 있음. 리터럴로 배열을 초기화할 때는 new 를 명시하지 않고 중괄호 {} 안에 값을 콤마로 구분하여 나열함. 다만 리터럴을 사용한 배열 초기화는 선언과 동시에 인 경우에만 가능하며, 별도로 배열을 생성한 이후에는 arr = {...}; 형태로는 할 수 없음.

참고로, 배열 자체는 객체 이므로 nums instanceof Object 와 같은 검사를 하면 참(true ) 을 반환하게 됨. 배열 변수는 객체에 대한 참조(reference) 를 담기 때문에, 배열 변수를 복사하거나 전달하면 객체의 주소값 이 전달된다는 점이 있다.

2. 다차원 배열

자바에서 다차원 배열은 사실 "배열의 배열" 형태로 구현됨. 즉, 2차원 배열은 배열을 원소로 갖는 배열이며, 3차원 배열은 2차원 배열을 원소로 갖는 배열이라고 볼 수 있음. 2차원 배열 은 행(row) 과 열(column ) 의 형태로 생각할 수 있는데, 자바에서는 각 행을 별도의 1차원 배열로 취급함. 따라서 자바의 다차원 배열은 각 행의 길이가 서로 달라도 되는 가변 길이 배열 을 만들 수 있음. (행렬과 달리, 반드시 직사각형 형태일 필요가 없음)

예를 들어 int[][] matrix = new int[3][4]; 라고 선언하면 3x4 크기의 2차원 배열 객체가 생성됨.

matrix 는 3개의 행을 가지며, 각 행에는 4개의 정수형 값을 담을 수 있음.

matrix.length 는 3을, 그리고 matrix[0].length 는 첫 번째 행의 길이인 4를 반환함. 아래는 2차원 배열의 선언과 초기화, 사용 예시임.

// 2차원 배열 선언과 초기화
int[][] scores = {
    {90, 85, 70}, // 0행 : 원소 3개
    {80, 92},     // 1행: 원소 2개 (길이가 다름)
    {76, 81, 95, 60}// 2행: 원소 4개
};

//2차원 배열의 사용
System.out.println("scores[0][1] = " + scores[0][1]); // result : scores[0][1] = 85
System.out.println("행의 개수 = " + scores.length);       // 출력: 행의 개수 = 3
System.out.println("0행의 길이 = " + scores[0].length);   // 출력: 0행의 길이 = 3
System.out.println("1행의 길이 = " + scores[1].length);   // 출력: 1행의 길이 = 2

위 예에서 scores 는 3행으로 구성된 2차원 배열이고, 각 행의 길이는 서로 다를 수 있다는 것을 보여줌. scores[0] 는 {90, 85, 70} 인 1차원 배열이고, scores[1] 는 {88, 92} 인 1차원 배열임. 이러한 구조 때문에 scores[1][2] 와 같이 존재하지 않는 원소에 접근하려 하면 당연히 오류가 발생함.(ArrayIndexOutOfBoundsException )

다차원 배열의 선언 도 다양한 형태가 가능한데, 예를 들어 int[][] arr2d; , int arr2d[][]; , int[] arr2d[]; 처럼 쓸 수 있으며 모두 2차원 배열을 가리킴. 3차원 배열도 int[][][] arr3d = new int[2][3][4]; 처럼 선언함. 또한 2차원 배열을 생성할 때 둘째 차원 크기는 생략하고, 이후에 각 행별로 배열을 할당하는 방법도 있음. 예를 들어 int[][] jagged = new int[3][]; 처럼 하면 행은 3개로 고정되지만 각 행은 아직 할당되지 않은 상태임. 이후 jagged[0] = new int[5]; , jagged[1] = new int[2]; 등으로 행마다 다른 크기의 1차원 배열을 할당할 수 있음. 이런 방식으로 비정형(Jaggeed) 배열 을 구현할 수 있음.

3. ArrayList 와 배열 차이

자바에서는 배열과 유사하게 가변 길이의 목록을 다룰 수 있도록 java.util.ArrayList 클래스도 제공함. 배열과 ArrayList 는 여러 면에서 차이가 있는데, 중요한 차이점은 다음과 같음.

  • 크기 변경 가능 여부 : 배열은 크기가 고정 되어 한 번 생성하면 길이를 늘리거나 줄일 수 없음. 반면, ArrayList 는 동적으로 크기를 변경 할 수 있는 가변 배열 리스트 임. ArrayList 는 내부적으로 배열을 사용하여 구현되어 있는데, 저장 용량이 부족해지면 더 큰 새로운 배열을 만들고 기존 배열의 내용을 복사(copy) 하여 확장함. 이러한 동작은 개발자가 직접 하지 않아도 add() 등의 메서드를 호출하면 자동으로 처리됨.

  • 데이터 타입 지원: 배열은 기본형 타입과 참조형 타입 모두 저장할 수 있음. 예를 들어 int[] 는 int 기본형 값을 직접 담지만, ArrayList<int> 와 같은 제네릭 타입은 존재하지 않음. ArrayList 는 객체만 저장 하도록 설계되어 있으므로, 기본형 값을 저장하려면 해당하는 래퍼(wrapper) 클래스 를 사용해야함. 예를 들어 정수를 저장하려면 ArrayList<Integer> list = new ArrayList<>(); 처럼 선언해야함. 제네릭과 오토박싱(auto-boxing) 기능으로 인해 코드 상으로는 기본형을 넣는 것처럼 보이지만, 실제로는 Integer 객체로 변환되어 저장됨. 따라서 기본형을 대량으로 다룰 때 ArrayList 를 사용하면 박싱/언박싱에 따른 부가 비용이 발생할 수 있음.

  • 사용 방법의 편의성 : 배열은 인덱스를 통한 단순한 저장 및 접근만을 제공하는 반면, ArrayList 는 컬렉션 프레임워크의 클래스이므로 다양한 메서드 를 제공함. 예를 들어 요소 추가는 list.add(value); , 요소 제거는 list.remove(index) 또는 list.remove(Object) 형태로 간단히 호출할 수 있음. 또한 list.contains(value) 로 포함 여부를 확인하거나, list.size() 로 크기를 얻는 등 유용한 기능들을 갖추고 있음. 반면 배열은 이러한 메서드가 없고, 정해진 인덱스 범위 내에서 값을 넣고(arr[i] = value) 꺼내는(value = arr[i]) 기능만 제공함. 배열에 새로운 요소를 삽입하거나 중간 요소를 삭제하려면 새로운 배열을 만들고 직접 데이터를 복사하는 등의 수작업 이 필요함.

  • 성능 : 일반적으로 배열의 원소 접근이 ArrayList 보다 빠르다 고 알려져 있음. 배열은 단순한 인덱스 연산으로 해당 메모리 위치에 바로 접근하는 반면, ArrayList 의 get(index) 메서드는 내부적으로 배열에 접근하면서 추가적인 경계 검사 및 메서드 호출 오버헤드가 있기 때문임. 하지만 현대 JVM 최적화로 그 차이는 미미 하며, 인덱스를 통한 조회/수정 성능은 배열과 ArrayList 모드 거의 상수 시간 (O(1)) 임. 실제로 배열과 ArrayList의 성능 차이는 크기가 매우 큰 경우 나 복사/확장 동작이 빈번히 발생 하는 경우에만 두드러질 것임. ArrayList 는 내부 배열의 크기를 늘릴 때마다 새로운 배열 할당 및 복사가 이뤄지므로, 빈번한 추가/삽입이 발생하면 약간의 부하 가 걸림. 반면, 크기가 고정된 배열은 such reallocation cost 가 없으므로 요소 추가/삭제가 거의 없고 고정된 크기의 데이터 집합을 다룰 때는 배열이 더 효율적 일 수 있음.

  • 기능 지원 : 배열은 언어 차원에서 지원되는 기본 기능이고, ArrayList 는 자바의 컬렉션 프레임워크 클래스임. ArrayList 는 제네릭을 지원하여 타입 안전성을 제공하고, Collections 클래스와 함께 정렬(Collections.sort(list) ), 검색(Collections.binarySearch(list, key)) 등의 유용한 알고리즘을 메서드로 제공함. 배열도 Arrays 유틸리티 클래스를 통해 Arrays.sort(arr) , Arrays.binarySearch(arr, key) 등의 메서드를 사용할 수 있지만, 컬렉션 프레임워크와 연계된 풍부한 기능은 ArrayList 쪽이 더 많음.

언제 배열을 사용하고 언제 ArrayList 를 사용해야 할지 에 대해 일반적인 가이드라인을 정리하면 다음과 같음.

처리할 데이터의 개수가 처음부터 고정되어 있고 크기가 변하지 않는다면 배열이 간단하고 효율적인 선택임.

예를 들어 배열의 크기를 사전에 알고 있는 경우 또는 성능 최적화가 매우 중요한 경우 (예: 게임 루프나 실시간 시스템에서 수천만 개의 숫자를 빠르게 처리해야 하는 상황) 에는 배열이 유리할 수 있음. 반면, 데이터 개수가 동적으로 변하거나 수시로 삽입/삭제 등의 변동이 예상 된다면 ArrayList 와 같은 컬렉션을 사용하는 것이 코드 구현 면에서 훨씬 편리하고 유지보수에도 좋음. 특히 리스트의 크기를 미리 알 수 없거나 사용자 입력 등에 따라 달라지는 경우 ArrayList 를 쓰는 것이 자연스러움, 요약하면 "초기에 크기를 알고 변경되지 않는 경우 배열, 크기를 알 수 없거나 변경해야 하는 경우 ArrayList 로 선택할 수 있음.

성능 관점에서 배열과 ArrayList 중 무엇을 선택해야 할지 고민될 때는, 먼저 코드의 명확성과 기능적 요구 를 기준으로 선택하고 성능은 나중에 프로파일링하여 문제 될 때 최적화 하는 것이 좋음. 성능 차이는 상황에 따라 달라지지만, 빈번한 확장이 없을 경우 둘 다 비슷한 성능을 보이며, 큰 규모의 데이터 처리에서 병목이 없다면 편의성이 높은 ArrayList 를 쓰는 편이 나음. 또한 ArrayList 에도 초기 용량을 지정하는 생성자(new ArrayList<>(initialCapacity) ) 가 있으므로, 예상 크기를 설정하여 확장 빈도를 줄일 수도 있음.

배열과 ArrayList 의 비교

// array 사용
int[] arr = {1,2,3};
System.out.println(arr.length); // result:  3
// arr[3] = 4; // 컴파일 오류 또는 실행 시 예외 - 배열 크기를 넘는 추가는 불가


// ArrayList 사용
ArrayList<Integer> list = new ArrayList<>(Arrays.asList(1,2,3));
System.out.println(list.size()); // result : 3
list.add(4); // 크기 자동 증가, 4추가
System.out.println(list.size()); // result : 4
System.out.println(list); // result [1,2,3,4]
list.remove(Integer.valueOf(2)); // 값이 2인 요소 제거
System.out.println(list); // result [1,3,4]

위 코드에서 배열 arr 은 {1,2,3} 으로 고정되어 더 이상 원소를 추가할 수 없지만, ArrayList 인 list 는 add() 를 통해 크기가 동적으로 늘어나는 것을 볼 수 있음. 또한 remove 를 사용하여 특정 값을 쉽게 제거할 수 있음. 이처럼 직관적인 메서드 지원 이 ArrayList 의 큰 장점임. 다만, 배열도 필요에 따라 ArrayList.asList(arr) 등을 통해 리스트로 변환하거나, List 를 배열로 변환하는 list.toArray() 메서드를 활용하여 두 가지 자료구조를 함께 사용할 수도 있음.

4. 배열의 복사 및 조작

배열 복사(Copy)

자바에서 배열을 복사하는 방법으로 몇 가지가 제공됨.

  • System.arraycopy(...) - JDK에서 제공하는 저수준 배열 복사 메서드임. System.arraycopy(src, srcPos, dest, destPos, length) 형식으로 사용하며, 원본 배열(src ) 의 srcPos 위치부터 length 만큼을 대상 배열(dest ) 의 destPos 위치로 복사함. 이 메서드는 네이티브(native) 구현으로 빠르게 부분 복사도 가능하기 때문에 효율적으로 사용할 수 있음.

  • Array.copyOf / Arrays.copyOfRange - java.util.Arrays 유틸리티 클래스에서 제공하는 정적 메서드들로, 내부적으로 System.arraycopy 를 사용하여 새로운 배열을 생성하고 복사까지 한번에 수행함. Arrays.copyOf(원본, 새로운 길이) 를 호출하면 지정한 길이의 새로운 배열을 생성한 뒤, 원본 배열을 처음부터 그 길이만큼 복사하여 반환함. (원본보다 큰 길이를 지정하면 나머지 요소들은 타입의 기본값으로 채워짐) Arrays.copyOfRange(원본배열, 시작인덱스, 끝 인덱스) 는 원본배열의 일부 구간을 복사하여 새로운 배열을 만들어줌.

  • clone 메서드 - 모든 배열은 Ojbect 의 clone() 메서드를 구현하고 있으며, 이를 호출하면 해당 배열 객체의 얕은 복사(shallow copy) 를 수행함. 즉, 동일한 내용의 새로운 배열 객체를 반환함. 예를 들어 int[] a = {1,2,3}; int[] b = a.clone(); 을 하면 b 는 a 와 같은 [1,2,3] 내용을 가진 별도의 int[] 객체가 됨. (주의 : 객체 배열의 경우 요소의 객체까지 복제하지는 않고 객체의 참조 값만 복사 한다는 점에서 얕은 복사임)

배열 복사 방법

int[] original = {10, 20, 30, 40};

// 1. clone() 을 이용한 복사
int[] copy1 = original.clone();
copy1[0] = 99;
System.out.println(Arrays.toString(original)); // 출력: [10, 20, 30, 40] (원본 영향 없음)
System.out.println(Arrays.toString(copy1));    // 출력: [99, 20, 30, 40] (별도 배열)

// 2. Arrays.copyOf 를 이용한 복사
int[] copy2 = Arrays.copyOf(original, original.length);
int[] copy3 = Arrays.copyOf(original, 2);  // 앞의 2개 요소만 복사
System.out.println(Arrays.toString(copy2)); // 출력: [10, 20, 30, 40]
System.out.println(Arrays.toString(copy3)); // 출력: [10, 20]

// 3. System.arraycopy 를 이용한 복사
int[] dest = new int[5];
System.arraycopy(original, 1, dest, 0, 3);
// original의 인덱스 1부터 3개 값을 dest의 인덱스 0부터 복사
System.out.println(Arrays.toString(dest));   // 출력: [20, 30, 40, 0, 0]

위 코드에서 clone() 이나 Arrays.copyOf 를 사용하면 새 배열 객체를 얻기 때문에 원본 배열을 수정해도 복사본에는 영향을 주지 않음. System.arraycopy 를 사용하면 부분 복사도 가능하며, 위 코드에서는 original 의 일부를 dest 에 복사하여 [20,30,40,0,0] 결과를 얻었음. (dest 배열이 미리 길이 5로 생성되어 있으므로 남은 부분은 기본값 0 으로 유지됨)

배열에서 요소 추가 및 삭제

배열은 한 번 생성되면 크기를 변경할 수 없음. 그렇지만 새로운 배열을 만들어 기존 데이터를 옮기는 방식으로 요소를 추가하거나 삭제한 효과 를 낼 수 있음. 이는 번거롭기 때문에 보통 ArrayList 를 사용하지만, 배열만으로 구현하려면 다음과 같은 방법을 씀.

  • 요소 추가 : 기존 배열보다 길이가 1 큰 새 배열을 만들고, 기존 배열 내용을 복사한 다음 새 요소를 넣음. Array.copyOf 를 활용하면 편리함.

int[] arr = {5,6,7};
int newValue = 8;
// 배열 길이를 1 늘려서 복사본 생성
int[] newArr = Arrays.copyOf(arr, arr.length + 1);
newArr[newArr.length - 1] = newValue; // 마지막 위치에 새 값 추가
System.out.println(Arrays.toString(newArr)); // result : [5,6,7,8]

  • 요소 삭제 : 삭제하고자 하는 인덱스를 제외한 새로운 배열을 만들고, 기존 배열에서 해당 부분을 건너뛰고 복사함. 이를 위해 System.arraycopy 를 사용하면 편리함.

int[] value = {5,6,7,8};
int removeIndex = 2; // 인덱스 2의 값(7) 을 제거한다고 가정

int[] smaller = new int[values.length - 1];
//removeIndex 이전의 요소들을 복사
System.arraycopy(values, 0, smaller, 0, removeIndex);
//removeIndex 이후의 요소들을 복사
System.arraycopy(values, removeIndex + 1, smaller, removeIndex, values.length - removeIndex - 1);
System.out.println(Arrays.toString(smaller)); // result : [5,6,8]

위 코드에서 values 배열에서 인덱스 2의 요소 7 을 제거하기 위해, 길이가 하나 작은 새 배열 smaller 를 만들고 두 번의 System.arraycopy 로 제거 대상 앞부분과 뒷부분을 복사했음. 결과적으로 smaller 에는 [5,6,8] 처럼 원하는 요소가 제거된 배열이 만들어짐. 이처럼 배열에서 는 요소 추가/삭제 시 직접 새로운 배열을 만들고 복사해야 하므로 다소 번거로움. 이런 이유로 다량의 삽입/삭제 작업에는 ArrayList 등의 컬렉션을 주로 사용함.

배열의 정렬 및 검색

자바는 배열을 위한 유틸리티 메서드를 java.util.Arrays 클래스에서 제공함. 정렬(sort) 과 이진 검색(binary search) 이 대표적임.

  • 정렬 : Arrays.sort(array) 메서드를 사용하면 배열을 오름차순으로 제자리 정렬 함. 기본형 배열이나 Comparable 을 구현한 객체 배열은 별도의 비교자 없이 자연 순서대로 정렬됨. 또한 Arrays.sort(array, Comparator) 형태로 비교자를 제공하여 사용자 정의 순서로 정렬할 수도 있음.

int[] numbers = {3,1,4,1,5};
Arrays.sort(numbers);
System.out.println(Arrays.toString(numbers));
// result : [1,1,3,4,5] (오름차순 정렬 완료)

  • 이진 검색 : Arrays.binarySearch(array, key) 메서드는 정렬된 배열 에서 특정 값(key) 을 이진 탐색 으로 찾아 그 인덱스를 반환함. 이진 탐색은 매우 빠른 검색 (O(log n)) 을 제공하지만, 배열이 정렬되어 있어야 제대로 된 결과를 얻을 수 있음. 만약 정렬되지 않은 배열에 이 메서드를 사용하면 결과는 의미가 없으며 정의되지 않음.

Arrays.binarySearch 의 반환값은 찾는 값이 존재하면 해당 인덱스 를, 없으면 음수 값 을 반환하는데, 이 음수 값에는 삽입 위치에 대한 정보가 담겨 있음. JDK 문서에 따르면 반환값이 음수일 경우 그것을 -(insertion point) -1 라는 공식으로 해석할 수 있음. 간단히 말해, 해당 값이 배열에 없다면 그 값이 들어갈 위치의 인덱스를 음수로 변환하여 돌려준다는 뜻임. 예를 들어 위에서 정렬된 numbers 배열에서 Arrays.binarySearch(numbers, 4) 는 4 의 인덱스인 3 을 반환하지만, Arrays.binarySearch(numbers, 2) 처럼 배열에 없는 값을 검색하면 -3 을 반환함. -3 은 삽입 위치가 인덱스 2임을 의미함. (numbers 배열에서 인덱스 2 자리에 2 를 넣으면 정렬 순서가 유지됨.)

아래는 정렬과 이진 검색을 함께 보여주는 예시임.

String[] fruits = {"Orange", "Apple", "Banana", "Grape"};
Arrays.sort(fruits);
System.out.println(Arrays.toString(fruits));
// 출력: [Apple, Banana, Grape, Orange]

int index = Arrays.binarySearch(fruits, "Grape");
System.out.println("Grape의 인덱스: " + index);       
// 출력: Grape의 인덱스: 2   (정렬된 후의 인덱스)

int index2 = Arrays.binarySearch(fruits, "Pear");
System.out.println("Pear의 검색 결과: " + index2);   
// 출력: Pear의 검색 결과: -4  (음수 결과는 삽입 위치 정보)

위 예시는 문자열 배열 fruits 를 정렬한 후 "Grape" 를 이진 검색하여 인덱스 2 를 얻었음. "Pear" 은 배열에 없기 때문에 음수 값이 반환되었는데, -4 라는 값은 만약 "Pear" 를 삽입한다면 인덱스 3(Orange 앞, 배열 끝 위치) 에 들어가게 될 것이라는 뜻임. 이처럼 binarySearch 의 음수 반환값은 단순이 "-1" 이 아니라 삽입점에 대한 정보를 포함 한다는 것을 유의해야함.

마지막으로, 배열을 정렬하는 다른 방법이나 검색하는 다른 방법으로 직접 구현 (예 : 버블 정렬, 선형 검색 등) 할 수도 있지만, 자바가 제공하는 Arrays.sort 는 고성능의 정렬 알고리즘을 사용하고 있으며, binarySearch 역시 매우 효율적임. 따라서 면접이나 알고리즘 학습 목적이 아니라면 이러한 내장 기능을 적극 활용하는 것이 좋음. 또한 Arrays 클래스에는 배열을 다루는데 유용한 메서드들이 많으므로 (예 : Arrays.toString, Arrays,equals, Arrays.fill 등) 필요할 때 문서를 참고하여 사용하면 편리함.

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