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2. 자바와 절차적/구조적 프로그래밍

자바 프로그램의 개발과 구동

현실세계	가상 세계(자바 월드)
소프트웨어 개발 도구	JDK(Java Development Kit) - 자바 개발 도구	JVM용 소프트웨어 개발 도구
운영체제	JRE(Java Runtime Environment) - 자바 실행 환경	JVM용 OS
하드웨어 - 물리적 컴퓨터	JVM(Java Virtual Machine) - 자바 가상 기계	가상의 컴퓨터

• JDK를 이용해 개발된 프로그램은 JRE에 의해 가상의 컴퓨터인 JVM상에서 구동된다.

  
  • JDK가 JRE를 포함하고 JRE는 JVM을 포함하는 형태로 배포된다.
  • 이로인해 개발자는 본인 OS에 맞는 JVM용으로 프로그램을 작성하고 배포하면 JVM이 중재자로서 각 OS에서 구동하는 데 아무 문제 없이 만들어준다.

• 객체 지향 프로그램의 메모리 사용방식

  
  • 데이터 저장 영역 = T메모리 구조

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자바에 존재하는 절차적/구조적 프로그래밍의 유산

• 절차적 프로그래밍 : goto를 쓰지 말라는 것
  • goto : 프로그램의 실행 순서를 이리저리 이동 시키는 예약어 (제어의 역할)
  • 이동이 잦아지면 프로그램 이해가 힘들다. 프로그램을 논리적으로 잘 구성하면 goto를 피할 수 있다.
• 구조적 프로그래밍 : 함수를 쓰라는 것
  • 중복코드를 한곳에 모아 관리할 수 있고 논리를 함수 단위로 분리해서 이해하기 쉬운 코드를 작성할 수 있다.

  공유 문제로 전역변수보다 지역변수를 쓰라는 지침도 있음.

• 객체 지향 언어에서 절차적/구조적 프로그래밍의 유산은 메서드 안에서 확인할 수 있다.
  • 제어문이 존재할 수 있는 공간은 바로 메서드 내부이기 때문.
  • goto = 제어문 , 함수 = 메서드

  함수와 메서드 차이 : 함수는 클래스나 객체와 아무관계 없지만 메서드는 반드시 클래스 안에 존재해야 한다.

• 절차적/구조적 프로그래밍의 유산의 예를 보면 자바 키워드 중 절반 이상이다.
  • for, switch, if, else, while, return, continue, break 등
• 객체지향을 이해하기위해 절차적/구조적 프로그래밍을 이해해보자.

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다시 보는 main()메서드 : 메서드 스택 프레임

ackage section2.ex2_1;

public class Start{

  public static void main(String[] args) {
    System.out.println("Hello OOP!!");
  }
}

1. JRE는 프로그램 안에 main()메서드가 있는지 확인한다.

2. 확인 되면 JRE는 JVM에 전원을 넣어 부팅한다.

3. 부팅된 JVM은 목적 파일을 실행한다. (메모리 구조를 구성 및 구문 실행)
   3-1. main()메서드 실행전 전처리 작업을 진행한다.

   • 가장 먼저 java.lang 패키지를 T메모리 스태틱 영역에 배치한다.
   • 개발자가 작성한 모든 클래스와 import패키지 역시 T메모리 스태틱 영역에 배치한다.

   3-2. main()메서드를 스택프레임(stack frame)에 할당한다.

   • 여는 중괄호를 만날 때 스팩프레임이 하나씩 생기며 닫는 중괄호를 만나면 스택프레임이 소멸된다.

   3-3. 메서드 인자인 args를 스택프레임(stack frame)의 변수 공간에 할당한다.
   3-4. 메모리 구조 구성 후 main()메서드의 첫 명령문을 실행한다.

   

   3-5. 구문 실행이 끝나면 main()메서드의 스택프레임이 소멸된다.

4. 실행이 끝나면 JRE는 JVM을 종료한다.

5. JRE도 사용했던 자원을 운영체제에 반납한다. (운영체제 상의 메모리에서 소멸)

• 실제 Debug 화면

  

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변수와 메모리 : 변수! 너 어디 있니?

package section2.ex2_2;

public class Start2 {

  public static void main(String[] args) {
    int i;
    i = 10;

    double d = 20.0;
  }
}

• int i;

  • 메모리에 4바이트 크기의 정수 저장 공간을 main()메서드 스택프레임안에 마련하라는 명령어다.
  • 아직 초기화 되지 않은 상태이므로, 다른 프로그램이 청소하지 않고 간 값을 그대로 가지고 있게 된다.
  • 이 상태로 i 변수를 사용하는 코드를 만나게 되면, 컴파일 에러가 발생한다.
    • The local variable i may not have been initialized
  

• i = 10; double d = 20.0;

  • double d = 20.0;의 경우 변수 선언 명령문과 할당 명령문이 한줄에 있는 것
  

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블록 구문과 메모리 : 블록 스택 프레임

package section2.ex2_3;

public class Start3 {

  public static void main(String[] args) {
    int i = 10;
    int k = 20;

    if (i == 10) {
      int m = k + 5;
      k = m;
    } else {
      int p = k + 10;
      k = p;
    }
  }

  //k = m + p;
}

• if (i == 10) 분기

  • 비교 결과가 true 이므로 if블록의 스택 프레임이 main() 메서드의 스택프레임 안에 중첩되어 생성된다.

• int m = k + 5;

  • 변수 m에 값을 할당한다.
  • 이 때 if 스택 프레임 밖에 있는 k변수를 연산에 참여시킨다.
  

• if 블록 종료 후 스택 프레임은 소멸된다.

  • else 블록은 스택 메모리에 등장하지도 못했음.
  

만약 주석을 해제한다면?
m변수와 p변수는 더 이상 존재하지 않는다. 주석을 풀고 실행하면 컴파일 오류가 발생한다.
m cannot be resolved to a variable , p cannot be resolved to a variable

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지역 변수와 메모리 : 스택 프레임에 갇혔어요!

• 지역 변수 : 스택 프레임 안에서 일생을 보낸다. 스택 프레임이 사라지면 함께 사라진다.
• 클래스 멤버 : 스태틱 영역에서 일생을 보낸다. JVM이 종료될 때 까지 고정된(static) 상태로 자리를 지킨다.
• 객체 멤버 변수 : 힙에서 일생을 보낸다. 객체와 함께 가비지 컬렉터(메모리 회수기)에 의해 일생을 마친다.

외부 스택 프레임에서 내부 스택 프레임의 변수에 접근하는 것은 불가능 하나 그 역은 가능하다.
그래서 스택 메모리 내의 스택 프레임 안의 변수를 지역 변수라고 한다.

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메서드 호출과 메모리 : 메서드 스택 프레임2

package section2.ex2_5;

public class Start4 {

  public static void main(String[] args) {
    int k = 5;
    int m;

    m = square(k);
  }

  private static int square(int k) {
    int result;

    k = 25;
    
    result = k;

    return result;
  }
}

• square() 호출

  
  • main()메서드의 변수 k와 square()메서드의 변수 k는 별도의 변수 공간이다.
  • 이를 Call By Value(값에 의한 호출) 라하며, square()메서드의 k에 무슨 짓을 해도 main()메서드의 k에 영향이 없다.
    • 인자로 전달되는 것은 변수가 저장한 값만 복제해서 전달한다.
  • square()가 끝나면 스텍프레임은 사라지지만, 반환값이 있으니 그값을 돌려주면서 소멸된다.

여기서 드는 몇가지 의문

• main()어딘가 square()내의 지역변수에 접근할 수 있을까? 없다.
  • square()호출 전엔 스택 프레임 조차 존재하지 않는다.
  • square()호출이 끝난 후엔 바로 스텍 프레임이 소멸된다.
• square()어딘가 main()내의 지역변수에 접근할 수 있을까? 없다.
  저자가 짐작하는 이유 3가지
  1. 그것이 이치에 맞기 때문이다.
     • 메서드는 서로의 고유 공간이며, 서로 침범하면 문제를 유발할 수 있기 때문이다.
  2. 포인터 문제 때문이다.
     • square()메서드에서 main()메서드 내부의 지역변수에 접근하려면 변수의 정확한 위치를 알아야한다.
     • 위치를 알기위해선 포인터(메모리 주소값)을 알아야한다. 하지만 Java엔 포인터가 없다.
  3. 메서드는 다양한 곳으로부터 호출된다.
     • 메서드를 호출하면서 만들어지는 스택 구조는 항시 변화한다.
     • A ➡️ B ➡️ C로 호출될 수 있고 F ➡️ B ➡️ C로 호출될 수도 있다.
     • 만약 한 C메서드가 하단 메서드 스택 프레임 중 한 변수를 참조한다면, 어느 스택 프레임의 변수를 참조해야하는가?
     • 결국 이 문제를 해결하려면 또 포인터가 필요하다.

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전역 변수와 메모리 : 전역 변수 쓰지 말라니까요!

메서드 사이 값을 공유하는 또 하나의 방법은 전역변수 사용이다.

package section2.ex2_6;

public class Start5 {

  static int share;

  public static void main(String[] args) {
    share = 55;

    int k = fun(5, 7);
  }

  private static int fun(int m, int p) {
    share = m + p;

    return m - p;
  }
}

• main메서드 실행 전 T메모리

  
  • share는 static 변수이므로 클래스 멤버로서 스태틱 영역의 변수 공간에 할당된다.

• fun메서드 호출

  • static 변수 할당 전

    

  • static 변수 할당 후

    

전역변수의 특징

• 전역 변수는 스택 프레임에 독립적이며, 여러 메서드들이 공유해서 사용할 수 있다.
• 하지만, 코드가 커지면서 여러 메서드에서 전역 변수의 값을 변경하기 시작한다면?
• T메모리로 추적하지 않는 이상 전역 변수에 저장되어 있는 값 파악이 쉽지 않다.
  • 위 예제에서도 코드를 추적해 들어가야만 그 값이 변한 이유를 파악할 수 있다.

결론

• 전역 변수를 피할 수 있으면 피하라.
• 하지만 읽기 전용으로 값을 공유해서 전역 변수로 쓰는 건 적극 추천. ex) 원주율

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멀티 스레드 / 멀티 프로세스의 이해

• 멀티 스레드 : 하나의 T메모리의 스택 영역을 스레드 개수만큼 분할해서 쓴다.

  • 하나의 스레드에서 다른 스레드의 스택영역은 접근할 수 없지만, static과 힙영역은 공유해서 사용하는 구조.
  • 메모리를 적게 사용할 수 있는 구조.
  

• 멀티 프로세스 : 다수의 데이터 저장 영역. 즉 다수의 T메모리를 갖는다.

  • 각자 고유한 공간을 갖기 때문에 메모리 안전한 구조.
  • 메모리 사용량은 그만큼 크다.
  

서블릿은 요청당 스레드를 생성한다 ➡️ 이는 프로세스보다 효율적이다.

멀티 스레드에서 전역 변수 사용의 문제점

• 쓰기 가능한 전역 변수를 사용하면 스레드 안전성이 깨진다고 표현한다.
  • 물론 lock을 거는 방법이 있지만 이는 멀티 스레드의 장점은 버린것과 같다.
• 예시
  • 스레드1이 전역변수A에 10을 할당했다.
  • CPU 사용권이 스레드2로 넘어가고 스레드2가 전역변수A에 20을 할당했다.
  • CPU 사용권이 다시 스레드1로 넘어가고 스레드1은 전역변수A를 출력했더니 갑자기 20이 나왔다.

용어 정리
절차적/구조적 프로그래밍 : 공유변수 = 필드, 기능적 요소 = 함수
객체 지향 프로그래밍 : 전역변수 = 프로퍼티, 함수 = 메서드

정리 - 객체 지향은 절차적/구조적 프로그래밍의 어깨를 딛고

• 연산자, 제어문, 메모리 관리 체계 등등 객체 지향은 절차적/구조적 프로그래밍의 많은 부분을 차용하고 있다.
  • C++도 C언어를 부정한 것이 아니라 계승한 것이다.
• 그래서 프로그래머는 절차적/구조적 프로그래밍도 잘 알고있어야한다.

2장에서는 객체를 사용한 적이 없기 때문에 힙 영역은 동작하지 않았음.