자바(JAVA)에 대해서(1)

Kimseongeun·2022년 4월 5일

JAVA란?

1991년에 썬의 엔지니어들에 의해 고안되어 C++에 장점을 도입하고 단점을 보완해 1996년 1월에 공식적으로 발표된 객체지향 프로그래밍 언어이다.
Write once, Run Anywhere - 한번 작성하면 어디서든 실행된다.
현재 오라클에 인수 합병 되어있다.

JAVA의 특징

운영체제에 독립적이다.

자바로 작성된 프로그램은 운영체제의 종류에 관계없이 실행이 가능하다.
운영체제나 하드웨어가 아닌 JVM(자바 가상 머신)하고만 통신하고 JVM이 자바 응용프로그램으로부터 전달받은 명령을 해당 운영체제가 이해할 수 있도록 변환하여 전달하기 때문이다.
자바는 운영체제에 독립적이지만 JVM은 운영체제에 종속적이어서 오라클에서는 서로 다른버전의 JVM을 제공하고 있다.

객체 지향 언어이다.

객체 지향 언어의 특징인 캡슐화, 상속, 다형성, 추상화를 통해 재사용성이 높고 개발의 생산성을 향상시키는 장점이 있다.
단점으로는 개발 속도가 느리거나 실행속도가 느리다는 것이다.

자동 메모리 관리(Garbage Collection)를 해준다.

C언어를 사용하다 보면 free()함수로 직접 메모리를 해제 해주어야 한다.
JAVA는 JVM의 Garbage Collector가 불필요한 메모리를 알아서 정리해주기 때문에 c언어의 free()와 같이 해제해줄 필요가 없다.

네트워크와 분산처리를 지원한다.

기본 내장 라이브러리인 JAVA API에서 TCP/IP 라이브러리가 기본적으로 포함되어 있고, HTTP 프로토콜을 지원한다.
ex) java.net.Socket의 Socket을 이용한 통신

멀티 쓰레드를 지원한다.

JAVA는 기본 내장 라이브러리를 통해 멀티 쓰레드 프로그래밍에 대해 지원한다.
- 멀티 쓰레드란
  - 일반적으로 하나의 프로세스는 하나의 스레드를 가지고 작업을 수행한다.
  - 멀티 쓰레드는 하나의 프로세스 내에서 둘 이상의 스레드가 동시에 작업을 수행하는 것을 말한다.
  - ex) 메신저의 경우 채팅하면서 파일을 다운로드 받거나 음성 대화를 나눌 수 있는 것이 가능한 이유가 멀티쓰레드로 작성되어 있기 때문이다. 싱글 쓰레드로 작성된다면 파일을 다운로드 받는동안 다른 일을 전혀 할 수 없다.

동적 로딩을 지원한다.

자바로 작성된 어플리케이션은 여러개의 클래스로 구성되어 있어, 모든 클래스를 로딩하게 되면 많은 시간이 걸린다.
하지만 동적 로딩을 지원하기 때문에 클래스가 필요한 시점에 로딩하여 클래스를 사용할 수 있다. → 변경
로딩: 클래스 파일을 바이트 코드로 읽어 메모리로 가져오는 과정
java의 단점인 속도 문제가 있는데 현재는 바이트코드를 하드웨어의 기계어로 바로 변환해 주는 JIT컴파일러라는 신기술의 도입으로 JVM의 기능이 향상되어 속도 문제가 상당히 개선되었다.

JAVA의 실행 방법 및 실행 환경

JVM(Java Virtual Machine)

java를 실행하기 위한 가상 기계
자바로 작성된 모든 애플리케이션은 JVM에서만 실행되기 때문에 자바를 실행하기 위해선 반드시 JVM이 필요하다.

JVM 구조

JVM구조

1. Class Loader
- 자바에서 소스를 작성하면 .java파일이 생성되고 .java소스를 컴파일하면 .class파일(바이트 코드)이 생성된다.
- 이런 클래스 파일들을 찾고 엮어서 JVM이 운영체제로부터 할당받는 메모리 영역인 Runtime Data Area로 적재하는 역할을 Class Loader가 한다. → 메모리에 로딩

2. Execution Engine
- Class Loader에 의해 메모리에 Load된 클래스(바이트 코드)들을 기계어로 변경해 명령어 단위로 실행하는 역할을 한다.
- 인터프리터 방식 : 명령어를 하나하나 실행하는 방식
- 초기 방식으로 속도가 느리다는 단점이 있다.
- JIT 컴파일러: 프로그램을 실제 실행하는 시점에 전체 바이트 코드를 각 OS에 맞는 네이티브 코드로 변경해서 Execution Engine이 네이티브로 컴파일된 코드를 실행하는 것.
- JIT컴파일러는 같은 코드를 매번 해석하지 않고, 실행할 때 컴파일을 하면서 해당 코드를 캐싱한다. 그래서 이후 바뀐 부분만 컴파일하고 나머지는 캐싱된 코드를 사용한다.
- Native Code로 변환하는 데에는 비용이 소모된다.
- 인터프리터 방식을 사용하다 일정 기준이 넘어가면 JIT 컴파일 방식으로 명령어를 실행함

3. Garbage Collector
- Garbage Collector(GC)는 Heap 메모리 영역에 생성된 객체들 중에 참조되지 않는 객체들을 탐색 후 제거하는 역할을 한다.
- GC가 수행되는 동안 GC를 수행하는 쓰레드가 아닌 모든 쓰레드는 일시정지된다.
- 메모리를 제거하고 옮길 때 다른 쓰레드가 메모리를 사용하면 안되기 때문이다.

4. Runtime Data Area
runtime

JVM의 메모리 영역으로 자바 애플리케이션을 실행할 때 사용되는 데이터들을 적재하는 영역이다.
1. Method area(메소드 영역)
- 클래스 멤버 변수의 이름, 데이터 타입, 리턴 타입, 파라미터, Type정보(Interface인지 class인지), Constant Pool(상수 풀 : 문자 상수, 타입, 필드, 객체 참조가 저장됨), static 변수, final class 변수 등이 생성되는 영역이다.
2. Heap area(힙 영역)
- new 키워드로 생성된 객체와 배열이 생성되는 영역이다.
- 메소드 영역에 로드된 클래스만 생성이 가능하고 Garbage Collector가 참조되지 않는 메모리를 확인하고 제거하는 영역이다.
3. Stack area (스택 영역)
- 지역 변수, 파라미터, 리턴 값, 연산에 사용되는 임시 값 등이 생성되는 영역이다.
- 메소드를 호출할 때 마다 개별적으로 스택이 생성된다.
- int a=10; 라는 소스를 작성하면 스택에 int크기의 메모리 공간을 잡아 a라고 붙여주고 10을 넣어 주는 것.
- Person p = new Person();이라는 소스를 작성했다면 Person p는 스택 영역에 생성되고 new로 생성된 Person클래스의 인스턴스는 힙 영역에 생성된다. 그래서 스택 영역에 생긴 p가 힙 영역의 주소값을 가지고 있다.
- 즉 스택영역에 생성된 p가 힙 영역에 생성된 객체를 참조하고 있는것이다.
4. PC Register(PC 레지스터)
- 쓰레드가 생성될 때마다 생성되는 영역으로 Program Counter 즉, 현재 쓰레드가 사용중인 주소와 명령을 저장하고 있는 영역이다.
  - 쓰레드가 생성될 때 마다 생성되는 공간, 쓰레드가 어떤 부분을 어떤 명령으로 실행할지에 대한 기록, 현재 실행되는 부분의 명령과 주소를 저장한다.
- 각 쓰레드별로 하나의 PC Register가 존재한다.
- 쓰레드를 돌아가면서 수행할 수 있게 한다.
5. Native method stack
- java이외의 언어로 작성된 네이티브 코드를 위한 메모리 영역이다.
- 보통 C/C++등의 코드를 수행하기 위한 스택이다.