적시에 방어적 복사본 만들기

자바는 안전한 언어이긴 하지만, 더욱 안전하게 사용하기 위해 지켜야 할 것들이 많다. 이번 글은 자바를 더욱 안전하게 사용하기 위한 가이드이다.

자바는 C, C++ 같은 언어에서 흔히 보이는 버퍼 오버런, 배열 오버런, 와일드 포인터 같은 메모리 충돌 오류에서 안전하다. 자바로 작성한 클래스는 시스템의 다른 부분에서 무슨 짓을 하든 그 불변식이 지켜진다. 메모리 전체를 하나의 거대한 배열로 다루는 언어에서는 누릴 수 없는 강점이다. 하지만 아무리 자바라 해도 다른 클래스로부터의 침범을 아무런 노력 없이 다 막을 수 있는 건 아니다. 그러니 클라이언트가 불변식을 깨뜨리려 혈안이 되어 있다고 가정하고 방어적으로 프로그래밍해야 한다. 실제로도 악의적인 의도를 가진 사람들이 시스템의 보안을 뚫으려는 시도가 늘고 있다. 평범한 프로그래머도 순전히 실수로 클래스를 오작동하게 만들 수 있다. 어떤 경우든 적절치 않은 클라이언트로부터 클래스를 보호하는데 충분한 시간을 투자하는 게 좋다. 어떤 객체든 그 객체의 허락 없이는 외부에서 내부를 수정하는 일은 불가능하다. 하지만 주의를 기울이지 않으면 자기도 모르게 내부를 수정하도록 허락하는 경우가 생긴다. 예를 들어, 기간을 표현하는 Period클래스는 얼핏 불변처럼 보이지만, Date자체가 가변적이기 때문에 불변식을 깨뜨릴 수 있다. 다행히 자바 8 이후로는 Date 대신 불변인 Instant, LocalDateTime, ZonedDateTime을 사용하면 된다. Date는 낡은 API이니 새로운 코드를 작성할 때는 더 이상 사용하면 안 된다. 하지만 앞으로 쓰지 않는다고 이 문제에서 해방되는 건 아니다. Date처럼 가변인 낡은 값 타입을 사용하던 시절이 워낙 길었던 탓에 여전히 많은 API와 내부 구현에 그 잔재가 남아 있다. 이번 아이템은 예전에 작성된 낡은 코드들을 대처하기 위한 것이다. 외부 공격으로부터 Period 인스턴스의 내부를 보호하려면 생성자에서 받은 가변 매개변수 각각을 방어적으로 복사해야 한다. 그런 다음 Period 인스턴스 안에서는 원본이 아닌 복사본을 사용한다. 이렇게 사용하면, 앞서 공격은 더 이상 Period에 위협이 되지 않는다. 매개변수의 유효성을 검사하기 전에 방어적 복사본을 만들고, 이 복사본으로 유효성을 검사한 점에 주목하자. 순서가 부자연스러워 보이겠지만 반드시 이렇게 작성해야 한다. 멀티스레딩 환경이라면 원본 객체의 유효성을 검사한 후 복사본을 만드는 그 찰나의 취약한 순간에 다른 스레드가 원본 객체를 수정할 위험이 있기 때문이다. 방어적 복사를 매개변수 유효성 검사 전에 수행하면 이런 위험에서 해방될 수 있다. 컴퓨터 보안 커뮤니티에서는 이를 검사시점/사용 시점 공격 혹은 영어 표기를 줄여서 TOCTOU 공격이라 한다. 방어적 복사에 Date의 clone 메서드를 사용하지 않은 점에도 주목하자. Date는 final이 아니므로 clone이 Date가 정의한 게 아닐 수 있다. 즉, clone이 악의를 가진 하위 클래스의 인스턴스를 반환할 수도 있다. 예컨대 이 하위 클래스는 start와 end 필드의 참조를 private 정적 리스트에 담아뒀다가 공격자에게 이 리스트에 접근하는 길을 열어줄 수도 있다. 결국 공격자에게 Period 인스턴스 자체를 송두리째 맡기는 꼴이 된다. 이런 공격을 막기 위해서는 매개변수가 제3자에 의해 확장될 수 있는 타입이라면 방어적 복사본을 만들 때 clone을 사용해서는 안 된다. 생성자를 수정하면 앞서 공격은 막아낼 수 있지만, Period 인스턴스는 아직도 변경 가능하다. 접근자 메서드가 내부의 가변 정보를 직접 드러내기 때문이다. 새로운 접근자까지 갖추면 Period는 완벽한 불변으로 거듭난다. 아무리 악의적인 혹은 부주의한 프로그래머라도 시작 시각이 종료 시각보다 나중일 수 없다는 불변식을 위배할 방법은 없다. Period 자신 말고는 가변 필드에 접근할 방법이 없으니 확실하다. 모든 필드가 객체 안에 완벽하게 캡슐화되었다. 생성자와 달리 접근자 메서드에서는 방어적 복사에 clone을 사용해도 된다. Period가 가지고 있는 Date 객체는 java.util.Date임이 확실하기 때문이다. 그렇더라도 인스턴스를 복사하는 데는 일반적으로 생성자나 정적 팩터리를 쓰는게 좋다. 매개변수를 방어적으로 복사하는 목적이 불변 객체를 만들기 위해서만은 아니다. 메서드든 생성자든 클라이언트가 제공한 객체의 참조를 내부의 자료구조에 보관해야 할 때면 항시 그 객체가 잠재적으로 변경될 수 있는지를 생각해야 한다. 변경될 수 있는 객체라면 그 객체가 클래스에 넘겨진 뒤 임의로 변경되어도 그 클래스가 문제없이 동작할지를 따져보라. 확신할 수 없다면 복사본을 만들어 저장해야 한다. 예컨대 클라이언트가 건네준 객체를 내부의 Set 인스턴스에 저장하거나 Map 인스턴스의 키로 사용한다면, 추후 그 객체가 변경될 경우 객체를 담고 있는 Set 혹은 Map의 불변식이 깨질 것이다. 내부 객체를 클라이언트에 건네주기 전에 방어적 복사본을 만드는 이유도 마찬가지다. 클래스가 불변이든 가변이든, 가변인 내부 객체를 클라이언트에 반환할 때는 반드시 심사숙고해야 한다. 안심할 수 없다면 방어적 복사본을 반환해야 한다. 이상의 모든 작업에서 되도록 불변 객체들을 조합해 객체를 구성해야 방어적 복사를 할 일이 줄어든다는 교훈을 얻을 수 있다. 방어적 복사에는 성능 저하가 따르고, 항상 쓸 수 있는 것도 아니다. 호출자가 컴포넌트 내부를 수정하지 않으리라 확신하면 방어적 복사를 생략할 수 있다. 이러한 상황이라도 호출자에서 해당 매개변수나 반환 값을 수정하지 말아야 함을 명확히 문서화하는 게 좋다.



요약하자면,
클래스가 클라이언트로부터 받는 혹은 클라이언트로 반환하는 구성요소가 가변이라면 그 요소는 반드시 방어적으로 복사해야 한다. 복사 비용이 너무 크거나 클라이언트가 그 요소를 잘못 수정할 일이 없음을 신뢰한다면 방어적 복사를 수행하는 대신 해당 구성요소를 수정했을 때의 책임이 클라이언트에 있음을 문서에 명시하도록 하자.

 

출처: 이펙티브 자바 3판