[Java] Java

허경두·2025년 3월 28일
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Java

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Java란?

자바는 썬 마이크로시스템즈의 제임스 고슬링과 다른 연구원들이 개발한 객체 지향적 프로그래밍 언어 이다

Java 명명 규칙

  1. 클래스 이름의 첫 글자는 대문자
  2. 여러 단어로 이루어진 이름은 단어의 첫 글자를 대문자로 한다 (Camel Case)
    e.g. lastIndexOf
  3. 상수의 이름은 모두 대문자로 한다. 여러 단어일 경우 '_'(언더바)로 구분한다

Java의 구성요소

JRE + JDK + API

  • Java
    • JDK (Java Development Kit)
      • JRE (Java Runtime Environment)
        • JVM (Java Virtual Machine)
        • Core Libraries (핵심 라이브러리, rt.jar)
        • Deployment Technologies (JAR, Java Web Start 등)
      • Development Tools (개발 도구)
        • Compiler (javac)
        • Debugger (jdb)
        • JavaDoc (javadoc)
        • 기타 빌드/분석 도구 (javap, jdeps 등)
      • API (Application Programming Interface)
        • Java SE API (표준 API, java.lang, java.util 등)
        • Java EE API (기업용 API, Servlets, EJB 등)
        • Java ME API (임베디드 API, 모바일용)
        • Third-Party Libraries (외부 라이브러리, Spring 등)

  1. JDK (Java Development Kit) : Java 개발을 위한 툴킷. JRE + 개발 도구 포함

  2. JRE (Java Runtime Environment) : Java 애플리케이션 실행 환경. JVM + 핵심 라이브러리 포함

  3. JVM (Java Virtual Machine) : 바이트코드를 실행하는 가상 머신

  4. API (Application Programming Interface) : 표준 라이브러리(Java SE, EE, ME)와 외부 라이브러리 포함

  5. Development Tools : Java 컴파일러(javac), 디버거(jdb) 등 개발에 필요한 도구들

Java의 특징

  • 객체지향 + 함수형 언어
  • 자동 메모리 관리 : Garbage Collector
  • 멀티 쓰레드 지원
  • 운영 체제에 독립적 : Java Virtual Machine
    출처 : https://wonsjung.tistory.com/574

JVM(Java Virtual Machine)

  • java 프로그램이 실행되는 가상 컴퓨터

  • 한 번 작성하면 어디서든 실행 가능 (Write once, run anywhere)

  • OS는 JVM에게 메모리 할당 권한을 부여한다

    출처 : https://yeon-kr.tistory.com/112

실행 흐름

  1. *.java 파일 모두 javac 로 컴파일 → *.class 로 변환 (여기는 JVM 아님)

  2. 실행에 필요한 클래스만 클래스로더가 로딩해서 Runtime Data Area 에 적재 (Lazy Loading)

    로딩 시점

    • new 키워드 사용 시
    • static 필드/메서드 접근 시
    • Class.forName 사용 시
    • 리플렉션 사용 시

    로딩된 클래스는 해당 클래스와 그 클래스에 대한 모든 참조가 GC 대상이 될 때만 메모리에서 해제(unload)

  3. 클래스 로딩 후, 코드 실행 시에 메모리 할당이 필요한 경우 Runtime Data Area 의 적당한 영역에 메모리 할당

  4. 메모리 할당 이후, Interpreter 가 바이트코드를 기계어로 변환. 자주 변환되는 메서드일 경우(HotSpot), JIT 컴파일러가 개입하여 캐싱

  5. 위 2 ~ 4 가 메서드 단위로 반복되면서 계속 실행
    Java 는 모든 코드가 메서드 안에서 실행되므로 메서드 단위로 반복

1. ClassLoader

*.class 파일을 Runtime Data Area에 적재하는 역할을 한다. 런타임에 클래스를 처음 참조할 때 이 작업이 수행된다

  1. Loading : 클래스 로드

    ClassLoader역할우선순위
    BootStrap ClassLoaderJava의 최상위 클래스 로더. java.lang 패키지 등 기본 클래스를 로드가장 높음
    Extension ClassLoaderlib/ext/ 디렉토리의 확장 클래스를 로드중간
    Application ClassLoaderclasspath에 있는 애플리케이션 클래스를 로드. 응용 프로그램 수준 클래스 경로, 환경 변수 등을 로드. 클래스 파일을 로드하는 동안 위임 계층 알고리즘을 따름가장 낮음

  2. Linking : JVM이 클래스를 실행하기 전에 클래스의 바이트코드를 준비하는 과정. 이 과정에서 클래스의 정적 정보(Static Information)를 검증하고 메모리에 할당한 후 참조를 해결한다

    단계설명
    Verify (검증)바이트코드가 유효한지 확인. 보안 및 안정성을 위해 검증 수행
    Prepare (준비)클래스의 정적 변수(static field)를 메모리에 할당하고 기본값 설정
    Resolve (해결)심볼릭 참조를 실제 메모리 주소로 변환 (필요할 때 수행됨)

  3. Initialization : static 변수와 static 블록을 실행. 모든 static 변수는 원래 값으로 지정된다

2. Runtime Data Area

출처 : https://technote-mezza.tistory.com/72

  1. Method Area : 모든 클래스 레벨의 데이터가 static 변수를 포함하여 여기에 저장됨. JVM 당 단 하나의 메서드 영역이 있으며 공유 자원이다

    클래스 레벨의 데이터

    • 클래스 멤버 변수의 이름, 데이터 타입, 접근 제어자 정보 같은 필드 정보
    • 메서드의 이름, 리턴 타입, 파라미터, 접근 제어자 정보 같은 메서드 정보
    • Type정보(Interface인지 class인지)
    • Constant Pool(상수 풀 : 문자 상수, 타입, 필드, 객체 참조가 저장됨)
    • static 변수
    • final class 변수 등

  2. Heap Area : 모든 객체와 해당 인스턴스 변수 및 배열이 여기에 저장된다. 공유 자원이다.
    new 키워드로 생성된 객체와 배열이 생성되는 영역으로 메서드 영역에 로드된 클래스만 생성이 가능하고 Garbage Collector가 참조되지 않는 메모리를 확인하고 제거하는 영역이다.

  3. Stack Area : 지역 변수, 파라미터, 리턴 값, 연산에 사용되는 임시 값 등이 생성되는 영역으로서 메서드를 호출할 때마다 개별적으로 스택이 생성된다. 이 영역 안에서도 Local Variable Array, Operand stack, Frame data로 나뉘게 된다. 스택 영역은 공유 자원이 아니므로 스레드 안전 영역이다

  4. PC register : 스레드가 생성될 때마다 생성되는 영역으로 Program Counter 즉, 현재 스레드가 실행되는 부분의 주소와 명령을 저장하고 있는 영역이다. (*CPU의 레지스터와 다름) 이것을 이용해서 스레드를 돌아가면서 수행할 수 있게 한다. 공유 자원이 아니다

  5. Native Method Stack : 자바 외 언어로 작성된 네이티브 코드를 위한 메모리 영역이다. 보통 C/C++ 등의 코드를 수행하기 위한 스택이다. 공유 자원이 아니다
    JNI(Java Native Interface) : Native Method Libraries와 상호 작용하고 Execution Engine에 필요한 Native Libraries를 제공

3. Execution Engine

ClassLoader로부터 받은 runtime data area에 있는 *.class파일(바이트코드)을 기계어로 변환시키는 역할을 한다. 바이트 코드를 읽어 조각 별로 실행한다. interpreter와 JIT 방식이 있다

방식설명장점단점
Interpreter (인터프리터)바이트코드를 한 줄씩 해석하여 실행빠른 실행 시작실행 속도가 느림 (반복 코드 비효율적)
JIT (Just-In-Time) Compiler바이트코드를 한 번에 네이티브 코드로 변환 후 실행실행 속도 빠름 (최적화 적용)초기 변환 시간이 필요

* 네이티브 코드(Native Code)는 여러 개의 CPU 명령어(Instructions)로 구성된 코드 블록이다

JIT 종류

  • Client Compiler (C1): 빠른 컴파일, 최적화 낮음 (초기 실행 빠르게)
  • Server Compiler (C2): 느린 컴파일, 고성능 최적화
  • Graal JIT: Java로 작성된 최신 고성능 JIT
  • AOT (Ahead-of-Time): 미리 컴파일하여 실행 시간 단축 (JDK 9~)

4. Garbage Collector

Heap 메모리 영역에 생성(적재)된 객체들 중에 참조되지 않은 객체들을 탐색 후 제거하는 역할을 한다.

GC가 역할을 하는 시간은 정확히 언제인지를 알 수 없다. (참조가 없어지자마자 해제되는 것을 보장하지 않는다는 의미) "System.gc ()"를 통해 GC를 호출할 수 있지만 실행이 보장되지는 않는다.

또 다른 특징은 GC가 수행되는 동안 GC를 수행하는 스레드가 아닌 다른 모든 쓰레드가 일시 정지된다. 특히 Full GC가 일어나서 수 초간 모든 스레드가 정지한다면 장애로 이어지는 치명적인 문제가 생길 수 있는 것이다.

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