Java 에 대하여

자바의 기본 특징

자바는 객체지향 프로그래밍(OOP)에 기반하여 설계되었으며, "Write Once, Run Anywhere"라는 플랫폼 독립성을 갖는다. 이는 한 번 작성된 코드가 어떠한 운영체제에서도 동일하게 실행될 수 있음을 의미한다.

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JDK 구조

자바 개발 환경은 JDK(Java Development Kit), JRE(Java Runtime Environment), 그리고 JVM(Java Virtual Machine)으로 구성되며, 각 계층은 다음과 같이 역할을 분담한다.

1. JDK

JDK는 자바 개발에 필요한 모든 도구를 포함하는 패키지이다.

JDK의 주요 구성 요소는 다음과 같다.

• JRE: 자바 애플리케이션을 실행하기 위한 환경을 제공한다.
• 개발 도구: 자바 컴파일러(javac), 패키징 도구(jar), 문서화 도구(javadoc), 디버거 등으로 구성되어 있으며, 소스 코드(.java)를 바이트코드(.class)로 변환하는 등의 역할을 수행한다.

2. JRE

JRE는 자바 애플리케이션을 실행할 수 있도록 다음의 요소들을 포함한다.

• JVM: 자바 바이트코드를 실행하는 가상 머신.
• 코어 라이브러리: 자바 표준 API 라이브러리 등 필수 클래스들을 포함하여 애플리케이션 실행에 필요한 기능을 제공한다.
• 네이티브 라이브러리 및 내부 구성요소: JVM의 원활한 실행을 위해 운영체제와 연동되는 필수 라이브러리들을 포함한다.

3. JVM

JVM은 자바 애플리케이션의 실행을 담당하며, 여러 내부 구성 요소로 이루어진다.

• 클래스 로더
  • Loading: 클래스 정보를 메모리에 로드
  • Linking: 클래스 파일을 검사하고 정적 변수의 기본값을 설정
  • Initialization: 정적 변수에 초기값을 할당하고 static block을 실행
• .class 파일을 메모리에 로드하고, 검증 및 연결(resolution) 과정을 수행한다. 동적 클래스 로딩이 가능하며, 다음 단계로 구성된다.
• 런타임 데이터 영역
  • 메소드 영역: 클래스 정보, 상수, 정적 변수 저장
  • 힙: 객체와 배열이 생성되는 공간으로, 가비지 컬렉터가 관리한다.
  • 자바 스택: 각 스레드의 메소드 호출 및 지역 변수를 저장
  • PC 레지스터: 현재 실행 중인 명령의 위치를 추적
  • 네이티브 메소드 스택: 네이티브 메소드 호출 시 사용
• 애플리케이션 실행 중 필요한 데이터를 저장하는 메모리 영역으로 다음과 같이 구분된다.
• 실행 엔진
  • JIT 컴파일러: 자주 실행되는 바이트 코드를 네이티브 코드로 동적 컴파일하여 성능을 최적화한다.
  • 인터프리터: 바이트코드를 한 줄씩 해석하여 실행한다.
  • 가비지 컬렉터: 실행 중 사용되지 않는 객체를 회수하여 메모리 누수를 방지한다.
• 바이트코드를 실제 머신 코드로 실행하는 역할을 담당하며, 다음 구성 요소를 포함한다.
• 네이티브 인터페이스(JNI)
• C/C++ 등 네이티브 라이브러리와의 상호작용을 지원하여, 자바 코드와 네이티브 코드 간의 통신을 가능하게 한다.

JVM 아키텍처

Hotspot JVM 아키텍처

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자바의 빌드 과정

자바 애플리케이션이 실행되기까지의 빌드 과정은 컴파일과 링크 단계를 거친다.

1. 컴파일 단계

• 정의: 자바 소스 코드(.java)를 바이트코드(.class)로 변환하는 과정이다.
• 과정:
  • 구문 분석: 소스 코드의 문법을 검사하여 오류를 검출한다.
  • 최적화: 불필요한 코드를 제거하거나 효율적인 코드로 변환하여 성능을 개선한다.
  • 객체 코드 생성: 각 소스 파일을 개별적으로 기계어 수준의 객체 코드로 변환한다.

컴파일 과정에서는 주로 문법 오류나 타입 오류 등이 발견된다.

2. 링크 단계

• 정의: 여러 객체 파일과 라이브러리를 하나의 실행 환경으로 결합하는 과정이다. 단, 자바는 전체 프로그램을 하나의 실행 파일로 결합하지 않고, 런타임에 필요한 클래스와 라이브러리를 동적으로 로딩한다.
• 과정:
  • 검증(Verification): 로드된 바이트코드가 JVM의 규칙에 부합하는지 검사하여 보안과 안정성을 확보한다.
  • 준비(Preparation): 클래스 변수(정적 변수)의 메모리를 할당하고 기본값을 설정한다.
  • 해결(Resolution): 클래스 내부 및 외부의 심볼릭 참조를 실제 메모리 주소에 연결한다.

이 과정은 주로 동적 링크 방식으로 진행되어, 실행 중에도 필요한 클래스를 동적으로 로드하거나 갱신할 수 있다.

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가비지 컬렉션(GC)

가비지 컬렉션은 힙 영역에서 참조되지 않는 객체를 자동으로 제거하는 기능이다. 이 과정에서 모든 스레드가 일시 중단되는 "Stop-the-world" 이벤트가 발생할 수 있으므로, 불필요한 중단 시간을 최소화하는 것이 중요하다.

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Gradle

Gradle은 자바를 비롯한 여러 언어의 빌드 자동화 도구로, 다음과 같은 작업을 지원한다.

• 전처리
• 컴파일
• 패키징
• 테스팅
• 배포

이를 통해 복잡한 빌드 과정을 자동화하고 효율성을 높일 수 있다.

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자바 버전 종류

자바는 용도에 따라 다음과 같은 버전으로 구분된다.

• Java SE (Standard Edition): 일반 데스크탑 및 서버 애플리케이션 개발에 사용된다.
• Java EE (Enterprise Edition): 대규모 기업용 애플리케이션 개발을 위해 확장된 API와 기능을 제공한다.
• Java ME (Micro Edition): 제한된 자원 환경(모바일, 임베디드 디바이스 등)에서 사용된다.
• JavaFX: 그래픽 사용자 인터페이스 및 고성능 그래픽 가속을 위한 플랫폼이다.

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기본 데이터 타입과 참조 타입의 차이

자바는 기본 데이터 타입과 참조 타입을 구분하여 관리한다.

• 저장 방식:
  • 기본 타입은 실제 값을 직접 저장한다.
  • 참조 타입은 객체의 메모리 주소를 저장한다.
• 메모리 위치:
  • 기본 타입은 주로 스택 영역에 저장된다.
  • 참조 타입은 힙 영역에 객체가 생성되고, 해당 객체의 주소가 스택에 저장된다.
• 연산 방식:
  • 기본 타입은 산술 연산 등 직접적인 계산이 가능하다.
  • 참조 타입은 객체 내부의 데이터나 메서드를 통해 간접적으로 다루어진다.

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오버로딩과 오버라이딩

자바에서 메서드 다형성을 구현하는 두 가지 주요 방식은 오버로딩과 오버라이딩이다.

• 오버로딩 (Overloading):
  • 같은 이름의 메서드를 매개변수의 타입이나 개수를 다르게 정의한다.
  • 반환 타입은 관계없으며, 컴파일 타임에 어떤 메서드를 호출할지 결정된다.
• 오버라이딩 (Overriding):
  • 부모 클래스에서 상속받은 메서드를 자식 클래스에서 재정의한다.
  • 메서드명, 매개변수, 반환 타입이 모두 동일해야 하며, 런타임 다형성을 구현하는 핵심 메커니즘이다.
  • 인터페이스를 통한 간접 구현 방식도 자주 활용된다.

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제네릭

제네릭은 클래스나 메서드에서 사용할 타입을 외부에서 지정할 수 있도록 하는 기능이다. 이를 통해 컴파일 타임에 타입 안전성을 확보할 수 있으며, 재사용성이 높은 코드를 작성할 수 있다.

• 특징:
  • 클래스나 메서드 선언 시, 타입 매개변수를 지정할 수 있다.
  • <> 내부에는 오직 참조 자료형(클래스, 인터페이스, 배열)만 올 수 있다.
  • 기본 자료형을 사용하려면 해당 자료형의 래퍼 클래스(Integer, Double 등)를 사용해야 한다.