05. 참조타입

05-1. 참조 타입과 참조 변수

자바타입은 크게 기본 타입과 참조 타입으로 분류된다.

기본 타입은 정수, 실수, 문자, 논리 리터럴을 저장하는 타입을 말하며,
참조 타입은 객체의 번지를 참조하는 타입으로 배열, 열거, 클래스, 인터페이스를 말한다.

기본 타입과 참조 타입

기본타입으로 선언된 변수와 참조 타입으로 선언된 변수의 차이점은 저장되는 값이다.

기본타입 변수는 실제 값을 변수안에 저장하지만, 참조타입의 변수는 메모리의 번지를 변수안에 저장한다.
번지를 통해 객체를 참조한다는 뜻에서 참조타입이라고 부른다.

예를들어, int타입과 double타입으로 선언된 변수 age, price가 있고, String 클래스로 선언된 name,hobby가 있다고 가정해보자.

<기본 타입 변수>

int age = 25;
double price = 100.5;

<참조 타입 변수>

String name = "신용권";
String hobby = "독서";

메모리에서 이 변수들이 갖는 값을 그림으로 표현하면 다음과 같다.

String 클래스 변수는 힙 영역의 String 객체 번지값을 갖고있다.
이처럼 번지를 통해 객체를 참조하기 때문에 String 클래스 변수를 참조 타입 변수라고 한다.

메모리 사용 영역

JVM이 사용하는 메모리 영역에 대해 알아보자.
JVM은 운영체제에서 할당받은 메모리 영역을 다음과 같이 세부영역으로 구분해서 사용한다.

메소드 영역

메소드 영역은 JVM이 시작할 때 생성되고 모든 스레드가 공유하는 영역이다.
코드에서 사용되는 클래스들을 클래스 로더로 읽어 클래스별로 정적필드와 상수, 메소드 코드, 생성자 코드 등을 분류해서 저장한다.

힙 영역

객체와 배열이 생성되는 영역이다.
여기에 생성된 객체와 배열은 JVM 스택 영역의 변수나 다른 객체의 필드에서 참조한다.

만일 참조하는 변수나 필드가 없다면 의미없는 객체가 되기때문에 JVM은 이것을 쓰레기로 취급하고 쓰레기 수집기를 실행시켜 자동으로 제거한다.
따라서 개발자는 객체를 제거하기 위해 별도의 코드를 작성할 필요가 없다.
사실 자바는 코드로 객체를 직접 제거하는 방법을 제공하지 않는다.

JVM 스택 영역

JVM스택은 메소드를 호출할 때마다 프레임을 추가(push)하고 메소드가 종료되면 해당 프레임을 제거(pop)하는 동작을 수행한다.

프레임 내부에는 로컬 변수 스택이 있는데, 기본 타입 변수와 참조 타입 변수가 추가(push)되거나 제거(pop)된다.
스택 영역에 변수가 생성되는 시점은 초기화가 될 때, 즉 최초로 변수에 값이 저장될 때이다.
변수는 선언된 블록 안에서만 스택에 존재하고 블록을 벗어나면 스택에서 제거된다.

다음 코드를 보자.

char v1 = 'A'; //실행 1

if(v1 == 'A') { // 실행 2
	int v2 = 100; // 실행 2
    double v3 = 3.14; // 실행 2
} // 실행 2

boolean v4 = true; //실행 3 

선언된 변수는 실행 순서에 따라 다음과 같이 스택에 생성되고 소멸된다.
v2,v3는 if블록 내부가 실행되고 있을 때만 스택 영역에 존재하고 if블록을 빠져나가면 소멸된다.

기본 타입 변수는 스택 영역에 직접 값을 갖고있지만, 참조타입 변수는 스택 영역에 힙 영역의 객체 주소를 가진다.

다음과 같이 배열 변수인 scores는 스택 영역에 생성되지만 실제 10,20,30을 갖는 배열은 힙 영역에 생성된다.
배열 변수 scores에는 배열의 힙 영역의 주소가 저장된다.
참고로 자바에서는 배열을 객체로 취급한다.
int[] scores = {10,20,30};

참조 변수의 ==, != 연산

기본 타입 변수의 ==, != 연산은 변수의 값이 같은지 아닌지를 조사하지만, 참조 타입 변수들 간의 ==, != 연산은 동일한 객체를 참조하는지, 다른 객체를 참조하는지 알아볼 때 사용된다.

참조 타입 변수의 값은 힙 영역의 객체 주소이므로 ==,!= 연산은 결국 번지 값을 비교하는것이다.
동일한 번지 값을 갖고있다는 것은 동일한 객체를 참조하고있다는 의미이다.
따라서 동일한 객체를 참조하고 있을 경우 == 연산의 결과는 true이고 != 연산의 결과는 false이다.

다음 그림을 보자.

위 그림에서 refVar1과 refVar2는 서로 다른 객체를 참조하고있으므로 ==,!= 연산의 결과는 다음과 같다.

refVar1 == refVar2 // false
refVar1 != refVar2 // true

refVar2와 refVar3은 동일한 객체2를 참조하고있기때문에 ==, != 연산결과는 다음과 같다.

refVar3 == refVar2 // true
refVar3 != refVar2 // false

• if문에서 ==와 != 연산자의 활용
  ==와 != 연산자로 객체를 비교하는 코드는 일반적으로 if문에서 조건으로 많이 사용된다.

null과 NullPointerException

참조 타입 변수는 힙 영역의 객체를 참조하지 않는다는 뜻으로 null값을 가질 수 있다.
null값도 초기값으로 사용할 수 있기때문에 null로 초기화 된 참조 변수는 스택 영역에 생성된다.

참조 타입 변수가 null값을 가지는지 확인하려면 다음과 같이 ==, != 연산을 수행하면 된다.

위 그림에서 refVar1은 힙 영역의 객체를 참조하므로 연산의 결과는 다음과 같다.

refVar1 == null // false
refVar1 != null// true

refVar2는 null값을 가지므로 연산 결과는 다음과 같다.

refVar2 == null // true
refVar2 != null // false

자바는 프로그램 실행도중 발생하는 오류를 예외라고 부른다.
예외는 사용자의 잘못된 입력으로 발생할 수도 있고, 프로그래머가 코드를 잘못 작성해서 발생할 수도 있다.
참조 변수를 사용하면서 가장 많이 발생하는 예외 중 하나로 NullPointerException이 있다.
이 예외는 참조 타입 변수를 잘못 사용하면 발생한다.

참조 변수가 null값을 가지고 있을 경우에는, 참조 객체가 없으므로 변수를 통해 객체를 사용할 수 없다.
만약 null 상태에서 있지도 않은 객체의 데이터(필드)나 메소드를 사용하는 코드를 실행하면 NullPointerException이 발생한다.

다음 코드를 보자.

int[] intArray = null;
intArray[0] = 10; //NullPointerException

위 코드에서 intArray는 배열변수이므로 참조변수이다.
그래서 null로 초기화가 가능하다.
이 상태에서 intArray[0]에 10을 저장하려고 하면 NullPointerException이 발생한다.
intArray가 참조하는 배열 객체가 없기때문이다.

다른 코드를 살펴보자.

String str = null;
System.out.println("총 문자수:" + str.length()); //NullPointerException

String은 클래스이므로 참조 타입이다. 따라서 str변수도 null로 초기화 할 수 있다.
이 상태에서 String 객체의 length()라는 메소드를 호출하면 NullPointerException이 발생한다.
이유는 str변수가 참조하는 String 객체가 없기때문이다.

NullPointerException이 발생했을때 해결 방법은 참조 변수를 추적해서 객체를 참조하도록 수정하는것이다.

String타입

자바는 문자열을 String변수에 저장하기 때문에 다음과 같이 String 변수를 우선 선언해야한다.
String 변수;

String 변수에 문자열을 저장하려면 큰따옴표로 감싼 문자열 리터럴을 대입한다.
변수 = "문자열";

변수 선언과 동시에 문자열을 저장할 수도 있다.
String 변수 = "문자열";

사실 문자열을 String 변수에 저장한다는 말은 엄밀히 말해 틀린 표현이다.
문자열이 직접 변수에 저장되는 것이 아니라, String 객체로 생성되고 변수는 String 객체를 참조하기때문이다.
하지만 일반적으로 String 변수에 저장한다고 표현한다.

String name;
name = "신용권";
String hobby = "자바";

아래 그림을 보면 name변수와 hobby변수는 스택 영역에 생성되고, 문자열 리터럴인 "신용권"과 "자바"는 힙 영역에 String 객체로 생성된다.
그리고 name변수와 hobby변수에는 String객체 번지 값이 저장된다.

자바는 문자열 리터럴이 동일하다면 String객체를 공유하도록 되어있다.
다음과 같이 name1, name2변수가 동일한 문자열 리터럴인 '신용권"을 참조할 경우 동일한 String 객체를 참조하게 된다.

String name1 = "신용권";
String name2 = "신용권";

일반적으로 변수에 문자열을 저장할 경우에는 문자열 리터럴을 사용하지만, new 연산자를 사용해서 직접 String 객체를 생성시킬 수도 있다.
new 연산자는 힙 영역에 새로운 객체를 만들 때 사용하는 연산자로 객체 생성 연산자라고 한다.

String name1 = new String("신용권");
String name2 = new String("신용권");

이 경우 name1, name2는 서로 다른 String 객체를 참조하고있다.

문자열 리터럴로 생성하느냐 new 연산자로 생성하느냐에 따라 비교 연산자의 결과는 달라질 수 있다.

동일한 문자열 리터럴로 String 객체를 생성했을 경우 == 연산의 결과는 true가 나오지만 new 연산자로 String 객체를 생성했을 경우 == 연산의 결과는 false가 나온다.
== 연산자는 변수에 저장된 객체의 번지가 동일한지를 검사하기 때문이다.

String name1 = "신용권";
String name2 = "신용권";
String name3 = new String("신용권");

name1, name2는 동일한 문자열 리터럴로 생성된 객체를 참조하기 때문에 name1 == name2의 결과는 true이다.
그러나 name3는 new 연산자로 String 객체를 별도로 생성했기 때문에 name1 == nname3은 false가 나온다.

동일한 String 객체이건 다른 String 객체이건 상관없이 내부 문자열을 비교하고싶을때에는 String객체의 equals()메소드를 사용해야한다.
이 메소드는 원본 문자열과 매개값으로 주어진 비교 문자열이 동일한지 비교한 후 true false를 리턴한다.
boolean result = str1.equals(str2); // str1 = 원본문자열, str2 = 비교문자열

String 변수는 참조 타입이므로 초기값으로 null을 대입할 수 있는데,이때 null은 String 변수가 참조하는 String 객체가 없다는 뜻이다.
String hobby = null;

다음 코드처럼 hobby변수가 String 객체를 참조했으나 null을 대입함으로써 더 이상 String 객체를 참조하지 않도록 할 수도 있다.

String hobby = "여행";
hobby = null;

참조를 잃은 String 객체는 어떻게될까?
JVM은 참조되지 않은 객체를 쓰레기 객체로 취급하고, 쓰레기 수집기를 구동시켜 메모리에서 자동 제거한다.

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출처
혼자공부하는 자바