자바의 배열 초기화 이해하기: 기본형(Primitive Type)과 참조형(Reference Type)의 차이

자바에서 배열을 다룰 때 기본형(Primitive Type)과 참조형(Reference Type)의 초기화 방식에는 중요한 차이가 있다. 이번 포스트에서 이 차이점을 자세히 알아보고, 실제 코드에서 어떻게 적용되는지 살펴보려고 한다.

1. 배열의 기본 초기화

1.1 기본형 배열(Primitive Type)

기본형 배열을 생성하면 각 요소는 해당 타입의 기본값으로 자동 초기화된다.

int[] arr = new int[5];
System.out.println(arr[0]);    // 출력: 0
arr[0] = 10;                   // 바로 값 대입 가능

 

각 기본형 타입별 초기값

byte -> 0
short -> 0
int -> 0
long -> 0L
float -> 0.0f
double -> 0.0d
boolean -> false
char -> '\u0000'

 

1.2 참조형 배열(Reference Type)

참조형 배열을 생성하면 각 요소는 null로 초기화된다.

String[] strArray = new String[5];
ArrayList<Integer>[] listArray = new ArrayList[5];
System.out.println(strArray[0]);        // 출력: null
System.out.println(listArray[0]);       // 출력: null

 

다차원 배열의 구조
다차원 배열 int[][] arr는 int[] 타입(레퍼런스 타입)의 요소를 가진 배열이다.

첫 번째 차원의 초기화
int[][] arr = new int[3][];에서 new int[3][]는 3개의 int[] 참조를 가진 배열을 생성한다. 이 시점에서 각 요소는 null로 초기화된다.
arr은 int[] 타입이고 이는 참조 타입이므로 null이 될 수 있다.

int[][] arr = new int[3][];
System.out.println(arr[0]); // 출력: null

차원을 완전히 초기화하려면 아래와 같이 arr[i] 각 행마다 1차원 배열을 생성해주어야한다. new int[4]는 기본형이므로 0으로 초기화됨.

int[][] arr = new int[3][];
for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
    arr[i] = new int[4]; // 각 행을 4열로 초기화
}

 

2. 참조형 배열의 사용 방식 차이

2.1 값 대입 vs 메소드 호출

참조형 배열에서 null 상태의 요소를 다루는 방식

// 값 대입 - 가능
String[] s = new String[5];
s[0] = new String("apple");     // 정상 작동
s[0] = "apple";                 // 이것도 정상 작동

// 메소드 호출 - 불가능
String[] s = new String[5];
s[0].length();                  // *** NullPointerException 발생 ***

 

2.2 ArrayList 배열 - 예시

ArrayList와 같은 컬렉션의 배열을 사용할 때는 추가적인 초기화가 필요하다. 내가 최근에 코테를 풀며 한 실수를 예시로 보자.

// 잘못된 사용
ArrayList<Edge>[] graph = new ArrayList[5];
graph[0].add(new Edge(1, 2));   // NullPointerException 발생!

// 올바른 사용
ArrayList<Edge>[] graph = new ArrayList[5];
graph[0] = new ArrayList<>();    // gragh[i]에 할당할 ArrayList 객체 먼저 생성
graph[0].add(new Edge(1, 2));   // 이제 정상 작동

 

왜 graph[0].add(~~)에서 NullPointerException 에러가 발생했을까?

위에서 보았듯이 배열 타입(ArrayList<Edge>)에 해당하는 것의 대입은 가능했지만 메소드는 호출을 하지 못한다. 

ArrayList<Edge>[] graph = new ArrayList[5]; 직후 graph 배열의 상태를 생각해보면 당연한 결과이다.

첫 라인 직후 graph 배열은 각각 null로 초기화 된 상태이다.

그 상태에서 graph[0].add(~~) 와 같은 시도는 graph[0]가 null이므로 null.add(~~)을 명령한 꼴이 된다. 

add 뿐만 아니라 graph[0].get(0) 처럼 메서드 호출하는 것이 문제가 되는 것이다.

위와 같은 오류를 범했을때 아래와 같은 에러와 함께 프로세스가 종료되는 것을 볼 수 있다.

Exception in thread "main" java.lang.NullPointerException: Cannot invoke "java.util.ArrayList.get(int)" because "Main.graph[0]" is null  => 직역 : get() 메서드를 호출할 수 없다, graph[0]가 null 이기 때문에. 

 

ArrayList(레퍼런스 타입)의 배열을 생성하였다면, 잊지말고 바로 각 인덱스마다 새로운 ArrayList 객체도 생성해주자. 

graph = new ArrayList[N];
for(int i=0; i<N; i++){
    graph[i] = new ArrayList<>();
}

 

3.  자바에서 참조형 변수는 왜 null로 초기화 될까?

3.1  메모리 구조의 이해 (기본형 vs 참조형)

// 기본형: 값이 스택 메모리에 직접 저장
int number = 10;

// 참조형: 객체는 힙 메모리에 저장되고, 변수는 그 주소를 참조
String text = new String("Hello");

[stack 메모리]                 [heap 메모리]

number: 10

text: 0x123  ------->  0x123: "Hello" 객체

(도식화 해보면 위와 대략 위와 같은 형태)

 

레퍼런스 타입의 배열의 경우

String[] arr = new String[3];

[스택 메모리]              [힙 메모리]

arr: 0x456 -------> 0x456: [null][null][null]

(위와 같이 도식화 될 것이다)

 

위에서 알 수 있듯이 기본형의 값은 스택에 저장되지만 참조형 변수는 힙 메모리에 저장된 객체의 주소를 참조한다.

3.2  null 초기화가 필요한 이유

1) 메모리 안정성

• null은 "아직 어떤 객체도 참조하고 있지 않음"을 나타내는 상태
• 초기화되지 않은 참조를 사용하면 위험할 수 있음
• null로 초기화함으로써 안전한 상태 보장

String[] arr = new String[3];
// 이 시점에서 arr[0]은 null
// arr[0]가 초기화되지 않은 임의의 메모리 주소를 가리킨다면?
// -> 시스템 크래시나 보안 문제 발생 가능  

// 기본형 배열
int[] nums = new int[3];
// JVM이 각 요소를 0으로 초기화
// [0][0][0]

// 참조형 배열
String[] strings = new String[3];
// JVM이 각 요소를 null로 초기화
// [null][null][null]

2) 참조형과 기본형의 차이  

자바에서 기본형 변수(예: int, boolean 등)는 값 자체를 저장하기 때문에 자동으로 초기화 시, 0, false와 같은 기본값을 할당받는다.

반면 참조형 변수는 실제 객체를 가리키는 메모리 주소를 저장하므로, 객체가 없는 상태에서 특정 값을 할당하는 것은 의미가 없다. 그래서 참조형 변수는 객체가 생성되기 전까지 null 상태를 유지한다.

정리

1. 기본형 배열
   • 생성과 동시에 기본값으로 초기화됨
   • 바로 값 대입 가능
2. 참조형 배열
   • 생성과 동시에 null로 초기화
   • 값 대입은 가능
   • 메소드 호출 전 객체 생성 필요

 

 

 

참고 자료 :

https://www.scientecheasy.com/2021/08/array-initialization-in-java.html/

Array Initialization in Java with Example - Scientech Easy

https://stackoverflow.com/questions/1922677/nullpointerexception-when-creating-an-array-of-objects

NullPointerException when Creating an Array of objects