[JAVA] 자바 시작

2023.03.15 ~ 16 복습

 

🔎 컴퓨터와 프로그래밍

📖 프로그래밍 언어

프로그래밍 언어는 컴퓨터가 실행할 프로그램을 작성하는 언어. 컴퓨터의 CPU는 이진수(binary code)인 0과 1밖에 이해하지 못하며 이진수 명령어들로 구성된 언어를 기계어(machine language)라고 함. 사람이 직접 기계어 프로그램을 작성하는 것은 힘들기 때문에 기계어의 각 명령을 ADD, SUB, MOVE 등 가급적 표현하기 쉬운 상징적인 니모닉 기호(mnemonic symbol)로 일대일 대응시킨 어셈블리어(assembly language)가 만들어졌음. 어셈블리어 역시 사람이 다루기 힘들고, 다양한 프로그램이나 자료를 표현하기에는 한계가 있어, 사람이 이해하기 쉽고, 복잡한 알고리즘이나 프로그램, 자료를 효율적으로 표현할 수 있는 고급언어가 생기기 시작. 고급 언어는 초기에 절차 지향 언어 형태를 거쳐 지금의 객체 지향 언어로 진화. 

 

📖 프로그램 컴파일과 실행

프로그래밍은 컴퓨터 언어로 프로그램 소스(source) 파일 작성하는 것으로 시작. 컴퓨터는 C/C++과 같은 고급 언어로 작성된 프로그램은 직접 처리할 수 없기 때문에, 컴퓨터가 실행할 수 있는 기계어 코드로 변환하는 컴파일(compile) 과정이 필요. 컴파일을 전담하는 소프트웨어를 컴파일러(compiler)라고 하며, 각 언어마다 전용 컴파일러가 있음. 

 

자바는 소스 프로그램의 확장자가 .java이고, 자바 전용 컴파일러에 의해 .class 파일로 컴파일되며, 클래스 파일은 자바 가상 기계에 의해 실행됨. 

 

🔎 자바의 출현과 WORA

📖 자바의 태동

썬 마이크로시스템즈의 제임스 고슬링(James Gosling)과 다른 연구원들이 개발한 (1995) 객체 지향적 프로그래밍 언어.

가전제품에 사용할 소프트웨어를 목적으로 플랫폼 독립점(platform independant)이며 메모리 사용량이 적은 새로운 언어와 실행 체계를 개발.

 

📖 WORA(Write Once Run Anywhere)

자바는 개발 단계에서부터 플랫폼에 독립적으로 설계되었음. 기존 프로그래밍 언어가 가진 플랫폼 종속성을 극복하여, 운영체제나 하드웨어에 상관없이 자바 가상 기계(JVM)만 있으면 어디서나 자바로 작성된 프로그램에 동일한 실행 환경을 제공하며 동일한 실행 결과를 기대할 수 있음. 또, 자바는 웹 브라우저, 분산 환경의 지원 등으로 네트워크에 연결된 어느 클라이트에서도 실행이 가능함. 자바 프로그램은 어디서든 한 번 작성하면, 다시 컴파일하거나 수정하지 않고, 어떤 하드웨어에서나 운영체제에서도 실행시킬 수 있음. 이를 WORA라고 함. 

 

📖 자바 가상 기계와 바이트 코드

자바의 플랫폼 독립성을 가능하게 하는 것이 바로 자바 가상 기계와 바이트 코드 때문.

 

⚙️ 바이트 코드

자바 가상 기계에서만 실행되는 기계어로 어떤 CPU와도 관계없는 바이너리 코드(binary code). 자바 컴파일러는 자바 소스 프로그램을 컴파일하여 바이트 코드로 된 클래스 파일을 생성. 이 클래서 파일은 컴퓨터의 CPU에 의해 직접 실행되지 않고, 자바 가상 기계가 인터프리터 방식으로 실행. 이 클래스 파일은 어떤 운영체제를 탑재하든 CPU의 종류가 무엇이든, PC이든 노트북이든 대형 컴퓨터이든 상관없이 자바 가상 기계만 있으면, 바로 실행 가능. 

 

오라클에서 배포하는 JDK(Java Development Kit)에는 자바 클래스 파일을 디어셈블(diassemble)하여 바이트 코드를 볼 수 있는 도구(javap) 제공 (바이트 코드 → 어셈블리 코드로 전환)

 

※ CPU가 이해할 수 있는 언어를 바이너리 코드라고 하면, 바이트 코드는 가상 기계가 이해할 수 있는 코드를 위한 이진 표현법

 

⚙️ 자바 가상 기계 

자바 가상 기계는 소프트웨어로서 서로 다른 플랫폼에서 자바 프로그램이 실행되는 동일한 환경을 제공. 하지만 자바 가상 기계는 플랫폼마다 서로 다르게 작성되어 배포되며 플랫폼 종속적임. 

 

📖 자바의 실행 환경

여러 소스 파일(.java)로 나누어 작성

↓

자바 컴파일러는 각 소스파일을 컴파일하여 클래스 파일(.class)을 생성

↓

하지만 자바에서는 이들을 하나의 실행 파일(.exe)로 뭉치는 링크의 과정이 없음

개발자는 여러 클래스 파일 중 하나를 지정하여 실행을 시작하면, 자바 가상 기계는 그 클래스 파일을 메모리에 로딩하고 실행함. 실행 도중 다른 클래스 파일이나 자바 API의 클래스 파일이 필요하면, 자바 가상 기계는 그 때 그 클래스 파일을 로딩하고 실행. 

위와 같은 방식은 처음부터 모든 클래스 파일을 로딩해놓을 필요 없이 당장 실행할 클래스 파일만 로딩하여 실행할 수 있으므로, 적은 량의 메모리를 가진 컴퓨터에서 얼마든지 큰 자바 응용프로그램을 실행할 수 있음. 이것이 바로 플랫폼 독립성과 함께 달성하고자 하는 자바 언어의 본질. 메모리가 충분한 PC에서는 실행 중에 클래스 로딩으로 인한 시간을 줄이기 위해, 사용자 클래스 파일과 필요한 자바 클래스 파일을 미리 로딩하여 둠. 

 

자바와 C/C++ 실행 환경 및 실행 과정 차이

자바
1. 자바는 컴파일러가 바로 바이트 코드를 생성하며, 링크 과정이 없음
2. 바이트 코드는 자바 가상 기계에서만 실행
3. 자바는 실행시간에, 필요한 클래스들이 자바 가상 기계에 의해 링크되며 클래스 로더가 필요한 클래스를 동적으로 로딩
4. ClassLoader 객체를 이용하여 개발자가 직접 클래스를 로딩할 수 있음

C/C++
1. 컴파일러가 중간 단계인 목적 코드를 생성한 후 링커가 필요한 라이브러리들을 링크하여 최종 실행 가능한 .exe파일을 만듦
2. 정적 라이브러리의 경우 실행 파일에 포함시키므로 실행 파일 크기가 커짐
3. 동적 라이브러리의 경우 실행 시간에 링크가 일어남
4. 목적 코드 및 실행 파일은 플랫폼에 따라 다르므로, 플랫폼이 바뀌면 소스 코드를 수정하거나, 컴파일과 링크를 새로 해야 함. 

 

🔎 개발 도구와 자바 플랫폼

📖 JDK와 JRE

⚙️ JDK(Java Development Kit)

자바 개발자를 위한 상업용 소프트웨어

자바 컴파일러 등의 개발 도구와 JRE(Java Runtime Enviroment)로 구성

 

JDK 설치 후 bin 디렉터리에 들어있는 주요 개발 소프트웨어
• javac : 자바 컴파일러로 자바 소스를 바이트 코드로 변환
• java : 자바 프로그램 실행기. 자바 가상 기계를 작동시켜 자바 프로그램 실행
• javadoc :  자바 소스로부터 HTML 형식의 API 도규먼트 생성
• jar : 자바 클래스 파일을 압축한 자바 아카이브 파일(.jar) 생성, 관리
• jmod : 자바의 모듈 파일(.jmod)을 만들거나 모듈 파일의 내용 출력
• jlink : 응용프로그램에 맞춘 맞춤형(custom) JRE 생성
• jdb : 자바 응용프로그램의 실행 중 오류를 찾는 데 사용되는 디버거
• javap : 클래스 파일의 바이트 코드를 소스와 함께 보여주는 디어셈블러

 

⚙️ JRE(Java Runtime Enviroment)

자바 응용프로그램이 실행될 때 필요한 소프트웨어들로 개발자가 활용할 수 있는 자바 API(이미 컴파일된 다양한 클래스 라이브러리)와 자바 가상 기계를 포함

 

📖 자바의 배포판

Java SE(Standard Edition)

- 자바 표준 배포판, 데스크톱 응용프로그램과 서버 응용프로그램을 개발하기 위한 JDK

Java ME(Micro Edition)

- 모바일용 배포판, IoT, TV, 블루레이, 셋톱박스 등 작은 하드웨어 자원을 갖는 장치에 적합한 JDK

Java EE(Enterprise Edition)

- 기업용 배포판

 

📖 Java 9부터 시작된 모듈 프로그래밍

모듈이란 자바 패키지들과 이미지, XML 파일 등의 자원들을 묶은 단위이며, 자바 응용프로그램을 마치 직소 퍼즐을 연결하듯이 필요한 모듈을 연결하는 방식으로 구성되게 함.

모듈화의 목적은 세밀한 모듈화를 통해 자바 응용프로그램이 실행되는데 필요 없는 모듈을 배제하여 작은 크기로 배포할 수 있도록 함에 있음. 하드웨어가 열악한 소형 IoT 장치에서도 필요한 모듈로만 구성된 작은 크기의 자바 응용프로그램 실행 환경을 만들어 실행시키고 성능을 유지하게 함. 

 

📖 자바 API

개발자들이 사용하도록 미리 만들어놓은 유용한 자바 클래스들의 집합

자바 API는 워낙 광범위 하여, 개발자는 이 API를 이용하여 쉽고 빠르게 자바 프로그램을 개발할 수 있음.

 

Overview (Java SE 17 & JDK 17)

 

📖 자바 IDE(Intergrated Development Enviroment)

소스 코드 편집, 컴파일, 디버깅을 한꺼번에 할 수 있는 통합 개발 환경(소프트웨어)

 

※ 디버깅 또는 디버그는 컴퓨터 프로그램 개발 단계 중에 발생하는 시스템의 논리적인 오류나 비정상적 연산을 찾아내고 그 원인을 밝히고 수정하는 작업 과정을 뜻한다. 

 

 

🔎 자바 프로그램 개발

자바에서는 클래스 이름과 소스 파일의 이름이 일치해야 함

 

public class Hello2030 {
  public static void main(String[] args) {
    int n = 2030;
    System.out.println("헬로" + n);
  }
}

 

public class Hello2030

이름이 Hello2030인 클래스를 선언

 

public static void main(String[] args)

main() 메소드를 선언하는 코드

자바에서는 함수를 메소드라고 부르며, 메소드는 {로 시작하여 }로 끝남.

자바 클래스는 여러 개의 메소드를 포함할 수 있으며, 프로그램 실행은 반드시 main() 메소드부터 시작

 

int n = 2030

지역 변수 n을 선언하고 2030으로 초기화

 

System.out.println("헬로" + n);

"헬로" + n의 결과는 "헬로2030" 문자열이며, 이를 출력하는 실행문.

System.out.println()은 JDK에 포함되어 개발자에게 제공되는 자바 API로서, 개발자는 화면에 숫자와 문자, 문자열 들을 출력

 

🔎 자바의 특징

호환성(플랫폼 독립성)

자바는 하드웨어, 운영체제 등 플랫폼에 종속되지 않는 독립적인 바이트 코드로 컴파일되며 JVM(Java Virtual Machine) 위에서 돌아가기 때문에 운영체제(OS)의 종류에 상관없이 실행

 

객체 지향적

객체들을 결합해서 하나의 프로그램을 만듦

 

클래스로 캡슐화

자바는 객체 지향 업어의 캡슐화(encapsulation) 원칙을 철저히 지켜, 변수나 메소드는 반드시 클래스 내에서 구현하도록 함. 클래스에 속하지 않은 변수나 메소드는 있을 수 없음. 자바는 클래스 안에 새로운 클래스, 즉 내부 클래스를 만들 수 있음. 

 

소스와 클래스 파일

클래스 파일에는 반드시 하나의 자바 클래스만 들어있음. 그러므로 하나의 자바 소스 파일에 여러 개의 클래스를 작성한 경우, 컴파일 하면 클래스마다 별도의 클래스 파일이 생성됨. 

 

실행 코드 배포

자바 응용프로그램은 한 개의 클래스 파일 또는 다수의 클래스 파일로 구성. 다수의 클래스 파일을 jar 파일 형태로 압축하여 배포하거나 실행할 수 있음. 자바의 실행은 main() 메소드에서 시작되며, 하나의 클래스 파일에 두 개 이상의 main() 메소드가 있을 수 없음. 그러나 각 클래스 파일이 main() 메소드를 가지는 것은 상관 없음

 

패키지 

서로 관련 있는 클래스는 패키지로 묶어서 관리

 

멀티스레드

하나의 자바 프로그램이 동시에 여러 작업을 처리할 수 있도록 다수의 스레드가 동시에 실행할 수 있는 환경을 지원. 대용량 작업을 빨리 처리할 수 있음

 

메모리 자동 관리(가비지 컬렉션)

자바 언어는 메모리를 할당받는 기능은 있지만, 메모리를 반환하는 기능은 없음. 

개발자가 직접 메모리에 접근할 수 없도록 설계, 가비지 컬렉터

 

실시간 응용 시스템에 부적합

자바 응용프로그램은 실행 도중 예측할 수 없는 시점에 가비지 컬렉션이 실행되므로 프로그램 실행이 일시적으로 중단됨. 이런 문제로 일정 시간(dead line) 내에 반드시 실행 결과를 내야만 하는 실시간 시스템에는 자바 언어가 적합하지 않음

 

안전성

자바 언어는 타입 체크가 매우 엄격하며, C/C++과 달리 메모리의 물리적 주소를 사용하는 포인터의 개념이 없기 때문에, 잘못된 자바 프로그램으로 인해 시스템이 중단되는 일이 없음

 

프로그램 작성이 쉬움

포인터의 개념이 없기 때문에 프로그램 작성에 부담이 적고 프로그램 개발을 쉽게 도와주는 다양한 라이브러리와 스윙 등 강력한 GUI 라이브러리를 지원

 

다양한 어플리케이션 개발

다양한 운영체제에서 실행되는 다양한 프로그램 (콘솔, 윈도우 어플리케이션, 웹 어플리케이션, 모바일 앱) 개발 가능

 

동적 로딩 지원

객체가 필요한 시점에 동적 로딩해서 객체 생성

 

실행 속도를 개선하기 위해 JIT 컴파일러 사용

자바는 자바 가상 기계가 인터프리터 방식으로 바이트 코드를 실행하므로 일반적으로 C/C++로 작성된 프로그램보다 실행이 느리다고 알려져 있지만, 최근에는 실행하는 도중 자바 프로그램을 해당 CPU의 기계어 코드로 컴파일하고 CPU가 바로 기계어를 실행하도록 하는 JIT(Just in time) 컴파일링 기법을 이용하므로, 실행 성능이 C/C++과 비슷하도록 개선됨

 

 

 

자바 버전 확인 방법