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System.out.println()의 동작 원리와 성능 이슈

PrintStream 클래스는 OutputStream을 상속받아 출력 스트림을 구현하며, 다양한 타입의 데이터를 출력할 수 있는 메서드를 제공한다.

public class Main {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello, World!");
    }
}

System.out은 PrintStream 타입의 static 객체이며, println()을 포함한 다양한 출력 메서드를 제공하여 간편하게 콘솔에 데이터를 출력할 수 있다.

System.out.println() 호출

PrintStream을 import하거나 인스턴스를 생성 없이 System.out.println()을 바로 사용할 수 있는 데, 그 이유는 다음과 같다.

  • System 클래스는 java.lang 패키지에 포함되어 있으며, 기본적으로 import되는 패키지이기 때문에 별도 import 없이 사용 가능

  • System 클래스 내부에 PrintStream 타입의 static 필드 out이 정의되어 있음


public final class System {

    /* Register the natives via the static initializer.
     *
     * The VM will invoke the initPhase1 method to complete the initialization
     * of this class separate from <clinit>.
     */
    private static native void registerNatives();

    static {
        registerNatives();
    }

    private System() {
    }

    public static final PrintStream out = null;

    // ...
}

out은 처음에는 null로 선언되어 있지만, JVM이 초기화 과정에서 실제 PrintStream 객체로 할당하게 된다.

  1. System.out은 Java 코드 상으로는 null로 선언되어 있으나, 이는 컴파일 시점 값

  2. registerNatives()라는 native 메서드가 System 클래스 초기화 블록에서 호출

  3. JVM의 initPhase1()에서 입출력 스트림을 직접 설정

이 작업은 Java 코드가 아닌 JVM 내부 native 코드에서 수행되며, 실제로는 메모리 상의 System.out 필드에 객체가 강제로 할당된다.

System.out.println() 내부 구현 코드 분석

일반적으로 사용하는 System.out.println() 호출은 PrintStream 클래스 구현을 그대로 사용하는 경우가 대부분이며, 이 경우 다음과 같은 흐름으로 동작한다.

public void println(Object x) {
    String s = String.valueOf(x);
    if (getClass() == PrintStream.class) {
        // need to apply String.valueOf again since first invocation
        // might return null
        writeln(String.valueOf(s));
    } else {
        // 하위 클래스 확장 시의 예외적 경로
        synchronized (this) {
            print(s);
            newLine();
        }
    }
}

  • System.out은 JVM이 직접 생성한 PrintStream 인스턴스이므로, 일반적으로는 writeln() 경로로 실행

  • writeln()은 내부적으로 출력 버퍼에 문자열을 쓰고, 줄바꿈 후 flush까지 수행하는 방식으로 구현

writeln(String s)의 상세 구현을 살펴보면 다음과 같다.

private void writeln(String s) {
    try {
        synchronized (this) {
            ensureOpen();
            textOut.write(s);
            textOut.newLine();
            textOut.flushBuffer();
            charOut.flushBuffer();
            if (autoFlush)
                out.flush();
        }
    } catch (InterruptedIOException x) {
        Thread.currentThread().interrupt();
    } catch (IOException x) {
        trouble = true;
    }
}

  1. ensureOpen()

    • 스트림이 닫히지 않았는지 확인

    • 닫힌 경우 IOException 발생시켜 출력 중단

  2. textOut.write(s) / textOut.newLine()

    • 문자열 및 줄바꿈 문자를 내부 문자 버퍼(StreamEncoder)에 쓰기 수행

    • 개행은 플랫폼에 맞는 \n, \r\n 등 줄바꿈 문자로 추가

    • 실제 출력은 하지 않고, 버퍼에만 저장

  3. textOut.flushBuffer()

    • 문자 버퍼에 저장된 내용을 지정된 Charset으로 인코딩하여 바이트 배열로 변환

    • 인코딩된 바이트 배열 데이터를 StreamEncoder 내부의 OutputStream에 저장

  4. charOut.flushBuffer()

    • StreamEncoder 내부 OutputStream에 저장된 바이트 데이터를 실제 출력 스트림으로 전달

    • 최종적으로 native 메서드를 호출하게 되며, 실제 OS 단에서 출력이 이루어짐

  5. if (autoFlush) out.flush()

    • 기본 true로 설정되어 있어 자동으로 flush() 수행

    • 일반적으로 위 과정으로 이미 flush된 상태이기 때문에 추가 동작은 없음

    • 명시적으로 flush 호출을 통해 출력 스트림을 강제로 비우는 역할

성능 저하의 원인

모든 과정이 synchronized 블록 안에서 수행되기 때문에, 여러 쓰레드가 System.out.println()을 호출해도 출력 순서를 보장한다. 하지만 내부적으로 동기화와 IO 작업을 수반하기 때문에 성능 저하를 유발할 수 있다.

  • println() 호출 시, 내부적으로 write()와 flush()가 함께 수행

  • 출력 스트림은 기본적으로 블로킹 IO이기 때문에, 호출 시점마다 시스템 콜을 발생시키고 쓰레드는 출력 완료까지 대기

  • 특히 반복문 내에서 출력이 빈번하게 발생하는 경우, 다음과 같은 문제 발생

    • 출력 버퍼가 자주 flush되어 성능 저하

    • synchronized/lock 경쟁으로 인한 쓰레드 병목 현상 발생

    • 콘솔 IO 속도는 CPU 연산보다 훨씬 느림

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