[JAVA] 2주차 정리: 컴파일러, JVM, 키워드, 스택, 힙 세그먼트

1. Java 프로그램 구조

• 크게 package, import, class로 이루어짐

• package: 클래스를 묶어줌
• import: 사용하고자 하는 다른 클래스가 포함된 패키지를 가져옴
• class: 함수와 변수로 구성된 객체를 만드는 틀

✏️Complier 컴파일러

: 고급 언어로 작성된 프로그램 전체를 목적 프로그램으로 번역한 후, 링킹 작업을 통해 컴퓨터에서 실행 가능한 실행 프로그램을 생성

• 이때 원래의 소스를 원시 코드, 바뀐 코드를 목적 코드(Object Code)라고 함
• 번역 실행 과정을 거쳐야 하기 때문에 번역 과정이 번거롭고 번역 시간이 오래 걸림, 한번 번역한 후에는 다시 번역하지 않으므로 실행 속도가 빠름
• 컴파일러를 사용하는 언어: C, Java 등

✏️Interpreter 인터프리터

: 고급 언어로 작성된 프로그램을 한 줄 단위로 받아들여 번역하고, 번역과 동시에 프로그램을 한 줄 단위로 즉시 실행시킴

• 줄 단위로 번역, 실행되기 떄문에 시분할 시스템에 유용하며 원시 프로그램의 변화에 대한 반응이 빠름
• 번역 속도는 빠르지만 프로그램 실행 시 매번 번역해야 하므로 실행 속도 느림.
• 인터프리터를 사용하는 언어: Python, BASIC 등

✏️Java Virtual Machine (JVM) 자바 가상 머신

: 자바 프로그램을 읽어들여 자바 API와 함께 실행시키는 프로그램

• 즉, 한번 만들어놓은 자바 프로그램이 어느 기기, 운영체제 상에서도 실행될 수 있게 해줌 (중개자 역할)
• 프로그램 메모리를 관리하고 최적화함(Garbage collection)

• 스택 기반의 가상머신

• 실행과정
  1. 프로그램이 실행되면 JVM은 운영체제로부터 프로그램에 필요한 메모리를 할당받음
  2. 자바 컴파일러(javac)가 자바 소스코드(.java)를 읽어들여 자바 바이트코드로 변환시킴(.class)
  3. 클래스 로더를 통해 JVM으로 클래스파일을 로딩하고 Excution engine을 통해 해석
  4. 해석된 바이트코드는 Runtime Data Areas에 배치되어 실질적 수행이 이루어짐
     *이 과정속에서 필요에 따라 스레드 synchronization과 같은 관리작업을 수행함
     *Excution engine 실행엔진: 클래스를 실행시킴, 이때 인터프리터를 통해 실행엔진은 한 줄씩
     명령어 단위로 읽고 실행하는데 속도가 느리다는 단점을 보완하기 위해 JIT컴파일러를 도입함. 즉, 자바는 컴파일과 인터프리터 방식을 병행하는 언어임.

2. Java 식별자

• 모든 언어는 각자 식별자가 있음
• 클래스이름, 메소드이름, 변수이름
• 변수
  1. member field (=member variable) 멤버변수
  2. local variable 지역변수

• 규칙

      - 문자와 숫자의 연속, 문자로 시작해야 함  
      - ‘_’와 ‘$’로 시작 가능  
      - 키워드 사용 불가 (Ex true, null)  
      - 클래스 이름은 대문자, 함수와 변수 이름은 소문자로 시작 (자바는 대소문자 구분이 가능)  
      - 길이 제한 없음  
      - 클래스, 메소드, 변수 이름 동일시X (컴파일 에러는 발생하지 않지만 개발자에게 혼돈 야기)  
      - 한글사용 가능하나 오류 가능성이 있으므로 사용X    
  

• 예시

    ➢ User Name : 띄어쓰기 불가, 문자와 숫자 연속해야 함  
    ➢ 7userName : 문자로 시작해야 함  
    ➢ true : 키워드 사용 불가  
    ➢ #argument : ‘_’와 ‘$’로 시작 가능  
  

3. Java 키워드

• 예외처리 관련 키워드

    - try, catch: try문 실행, 예외 발생 시 catch로 넘어가 예외처리  
    - finally: try-catch 예외처리 마지막에 무조건 수행되는 문장  
    - throw: 특정 상황에 예외를 발생시킴, try 함수를 시행할 때 영향을 줌  
    - throws: 예외를 정의하고 상위 메소드로 처리, catch에서 발생 될 수 있는 예외  
  

• 자바에만 있는 독특한 키워드

    - native, violatile, transient: 데이터에 대한 특징  
    - synchronized: 동기화와 관련
  
  

• 객체지향 관련 키워드 – Class 중심

  - class: 객체지향의 핵심, 바디가 있는 것, 메소드와 변수를 캡슐화시켜주는 기능  
  - interface: 클래스와 동등한 개념, 함수 이름만 정의해 놓은 것  
  - package: 클래스를 묶어줌  
  - import: 클래스 내에서 다른 클래스를 쓸 때 사용, 다른 사람이 만든 패키지를 가져옴  
  - extends: 상속 관련 키워드, 클래스 상속, 부모의 메소드, 변수를 그대로 사용 가능  
  - implements: 상속 관련 키워드, interface 구현, 부모의 메소드를 자식에서 오버라이딩하여 사용  
  - abstract: 추상적 메소드로 구현  
  - new: 객체를 만들 때 사용  
  - this: 자기 자신을 가리킬 때 사용  
  - super: 부모의 클래스를 사용하고 싶을 때 사용  
  - instanceof: 클래스 내에서 객체변수가 어떤 클래스에서 나왔는지 확인할 때 사용  
  - private: 함수, 클래스에 다 존재, 다른 클래스에 공유하지 않음  
  - protected: 패키지 내에 있는 클래스에만 허용함  
  - public: 클래스를 공유함  
  - static: 상속과 연결되어 클래스에 속해있는 메소드와 변수를 상속하지만 바꿀 수 없음  
  - final: 상속시키지 않음
  

✏️Refernce Type 참조형 – 키워드 this, super

• 자바의 기본형을 제외한 모든 타입 (class, interface, array, enum)
• 기본적으로 java.lang.Object 클래스를 상속하는 모든 클래스를 말함
• heap 영역의 동적 메모리 할당(dynamic memory allocation)을 지원함

• 즉, heap 영역에 필요한 데이터를 확보하고, 확보된 영역을 참조하는 것이 참조형

  • 특징

  • 빈 객체를 의미하는 Null이 존재
  • class에서 new로 객체를 생성할 때, 혹은 array 공간을 생성할 때 힙 영역의 reference 공간이 만들어짐

• 메인메모리 = 실행코드(code segment) + 힙 영역(heap area, data segment) + 스택

• 실제 객체는 Heap Area에 저장되며 참조형 변수는 Stack 영역에 실제 객체들의 주소를 저장함. 객체를 사용할 때마다 참조 변수에 저장된 객체의 주소를 불러와 사용

• CPU는 메모리에 접근해서 데이터를 가져옴

✏️Instance 인스턴스 – 키워드 new

• 객체(Object): 모든 인스턴스를 대표하는 포괄적 의미, 클래스의 인스턴스
• 클래스(Class): 객체를 만들어 내기 위한 설계도

• 인스턴스(Instance): 설계도를 바탕으로 구현된 구체적인 실체
  : 어떤 클래스로부터 만들어진 객체로 어떤 클래스에서 만들어졌는지 강조

  • 특징

  • 인스턴스는 객체에 포함된다고 볼 수 있음
  • 추상적 개념(또는 명세)과 구체적인 객체 사이 관계에 초점을 맞출 경우 사용됨
  • 객체가 메모리에 할당되어 실제 사용될 때 “instance”라고 부름
  • 인스턴스는 함수와 변수로 구성
  • ‘~의 인스턴스’ 형태로 사용
• 클래스에서 new로 객체를 생성함
• 즉, 클래스 타입으로 선언되었을 때 객체라고 부르고, 그 객체가 메모리에 할당되어 실제 사용될 때 인스턴스라고 부름
• 또한, 인스턴스라는 용어는 반드시 클래스와 객체 사이의 관계로 한정지어 사용할 필요X

4. Stack 스택

1. 스택 영역(Stack Area): 정적 메모리 할당 및 스레드 실행을 위해 사용되는 영역

- 메소드 내에 정의되는 기본형 변수의 데이터값과 힙 영역에 생성된 객체의 참조 값이 저장됨  
- 스레드를 실행하기 위해 사용  
- 각 Thread는 자신만의 stack을 가짐  
- 메소드 실행이 끝나면 할당되었던 메모리 공간은 반환되어 비워짐  
- 힙 영역보다 메모리영역이 작음  
- 힙 메모리에 비해 액세스 속도가 빠름  

1. 스택: 마지막에 들어온 것이 먼저 나가는 LIFO(Last In First Out) 구조를 가진 자료 구조

5. Heap 힙

• 힙 영역(Heap Area) : 메인메모리 중 동적으로 메모리를 확보하는 영역. 프로그램이 실행될 때 데이터를 저장하는 공간

- 보통 new를 통해 생성된 인스턴스 변수가 저장됨  
- 메소드 호출이 끝나도 사라지지 않음  
- Garbage Collector는 힙 영역에 더이상 참조하지 않는 객체들을 지움  

6. Segment 세그먼트

• 세그먼트는 프로그램에 정의된 특정 영역으로 코드, 데이터, 스택으로 알려져 있는 것을 포함

• 세그먼트는 메모리의 거의 어느 곳에나 위치할 수 있음

• 명령어가 세그먼트 레지스터에 세그먼트 주소를 적재할 때, 가장 오른쪽에 위치한 네 개의 0비트가 자동으로 오른쪽으로 이동하면서 제거됨

• 임의 개수의 세그먼트를 정의하는 것이 가능, 특정 세그먼트에 대해 주소를 지정하기 위해서는 적절한 세그먼트 레지스터의 값을 그 주소로 변경하기만 하면 됨

    • 코드 세그먼트(code segment)  
    	- 실행코드  
    	- 첫번째로 실행 가능한 명령어는 이 세그먼트의 맨 처음에 위치하며, 운영체제는 프로그램 실행을 시작하기 위해 그 위치를 알고 있음.  
    	- 코드 세그먼트(CS) 레지스터: 코드 세그먼트의 주소  
      
    • 데이터 세그먼트(data segment)  
    	- 힙 영역  
    	- 코드에서 정의된 데이터, 상수, 작업 영역  
    	- 데이터 세그먼트(DS) 레지스터: 데이터 세그먼트 주소  
  
    • 스택 세그먼트(stack segment)  
    	- 프로그램이 임시로 저장할 필요가 있거나, 사용자의 ‘피호출’ 서브루틴이 사용할 데이터와 주소를 포함  
    	- 스택 세그먼트(SS) 레지스터: 스택 세그먼트 주소  
  
    • 세그먼트 경계  
    	- 세그먼트 레지스터는 크기가 16비트이며, 세그먼트의 시작 주소를 포함.   
    	- 세그먼트 레지스터는 SS, DS, CS, ES(extra segment)가 있으며, 80386과 그 이후 프로세서에서는 FS와 GS 레지스터가 제공됨.