[Java 21] (6) - Object-oriented Programming 1

객체지향언어

 

요즘은 컴퓨터의 눈부신 발전으로 활용 폭이 넓고 다양해져서 컴퓨터가 사용되지 않는 분야가 없을 정도지만, 초창기에는 주로 과학실험이나 미사일 발사실험과 같은 모의실험(Simulation)을 목적으로 사용되었습니다. 이 시절의 과학자들은 모의실험을 위해 실제 세계와 유사한 가상 세계를 컴퓨터 속에 구현하고자 노력하였으며 이러한 노력은 객체지향이론을 탄생시켰습니다.

 

객체지향이론의 기본 개념은 '실제 세계는 사물(객체)로 이루어져 있으며, 발생하는 모든 사건들은 사물간의 상호작용이다' 라는 것입니다. 실제 사물의 속성과 기능을 분석한 다음, 데이터(변수)와 함수로 정의함으로써 실제 세계를 컴퓨터 속에 옮겨 놓은 것과 같은 가상 세계를 구현하고 이 가상세계에서 모의실험을 함으로써 많은 시간과 비용을 절약할 수 있었습니다. 객체지향이론은 상속, 캡슐화, 추상화 개념을 중심으로 점차 구체적으로 발전되었으며 1960년대 중반에 객체지향이론을 프로그래밍 언어에 적용한 시뮬라(Simula)라는 최초의 객체지향언어가 탄생하였습니다.

 

그 당시에는 FORTRAN이나 COBOL과 같은 절차적 언어들이 주류를 이루었으며, 객체지향언어는 널리 사용되지 못하고 있었습니다. 1980년대 중반에 C++을 비롯하여 여러 객체지향언어가 발표되면서 객체지향언어가 본격적으로 개발자들의 관심을 끌기 시작하였지만 여전히 사용자층이 넓지 못했습니다. 그러나 프로그램의 규모가 점점 커지고 사용자들의 요구가 빠르게 변화해가는 상황을 절차적 언어로는 극복하기 어렵다는 한계를 느끼고 객체지향언어를 이용한 개발방법론이 대안으로 떠오르게 되면서 조금씩 입지를 넓혀가고 있었습니다.

자바가 1995년에 발표되고 1990년대 말에 인터넷의 발전과 함께 크게 유행하면서 객체지향언어는 이제 프로그래밍 언어의 주류로 자리를 잡았습니다.

 

객체지향언어

 

객체지향언어는 기존의 프로그래밍 언어와 다른 전혀 새로운 것이 아니라, 기존의 프로그래밍 언어에 몇 가지 새로운 규칙을 추가한 보다 발전된 형태의 것입니다. 이런한 규칙들을 이용해서 코드 간에 서로 관계를 맺어 줌으로써 보다 유기적으로 프로그램을 구성하는 것이 가능해졌습니다. 객체지향언어의 주요 특징은 다음과 같습니다.

1. 코드의 재사용성이 높습니다.
2. 코드의 관리가 용이합니다.
3. 신뢰성이 높은 프로그래밍을 가능하게 합니다.

객체지향언어의 가장 큰 장점은 '코드의 재사용성이 높고 변경에 유리하다'는 것입니다. 이러한 객체지향언어의 장점은 프로그램의 개발과 유지보수에 드는 시간과 비용을 획기적으로 개선하였습니다.

 

 

클래스와 객체

 

클래스와 객체의 정의

 

클래스란 '객체를 정의한 것' 또는 '객체의 설계도'라고 할 수 있습니다. 클래스는 객체를 생성하는데 사용되며, 객체는 클래스에 정의된 대로 생성됩니다.

 

객체의 사전적인 정의는 '실제로 존재하는 것'입니다. 우리가 주변에서 볼 수 있는 책상, 의자, 자동차와 같은 사물들이 곧 객체로, 객체지향이론에서는 사물과 같은 유형적인 것뿐만 아니라 개념이나 논리와 같은 무형적인 것들도 객체로 간주합니다. 

프로그래밍 관점에서 객체는 '클래스에 정의된 대로 메모리에 생성된 것'을 뜻합니다.

 

클래스는 객체의 설계도이기 때문에 단지 객체를 생성하는데 사용될 뿐, 객체 그 자체는 아닙니다. 프로그래밍에서는 먼저 클래스를 작성한 다음, 클래스로부터 객체를 생성하여 사용합니다. 이렇게 클래스를 정의하고 클래스를 통해 객체를 생성하는 이유는 설계도를 통해서 제품을 만드는 이유와 같습니다. 클래스를 한 번만 잘 만들어 놓으면, 그냥 클래스로부터 객체를 생성해서 사용하기만 하면 됩니다.

 

JDK(Java Development Kit)에서는 프로그래밍을 위해 많은 수의 유용한 클래스(Java API)를 기본적으로 제공하고 있으며, 이 클래스들을 이용해서 원하는 기능의 프로그램을 보다 쉽게 작성할 수 있습니다.

 

객체와 인스턴스

 

클래스로부터 객체를 만드는 과정을 클래스의 인스턴스와(instantiate)라고 하며, 어떤 클래스로부터 만들어진 객체를 그 클래스의 인스턴스(instance)라고 합니다. 인스턴스는 객체와 같은 의미이지만, 객체는 모든 인스턴스를 대표하는 포괄적인 의미를 갖고 있으며, 인스턴스는 어떤 클래스로부터 만들어진 것인지를 강조하는 보다 구체적인 의미를 갖고 있습니다.

 

객체의 구성요소

 

객체는 속성과 기능, 두 종류의 구성요소로 이루어져 있으며, 일반적으로 객체는 다수의 속성과 다수의 기능을 갖습니다. 즉, 객체는 속성과 기능의 집합이라고 할 수 있습니다. 그리고 객체가 갖고 있는 속성과 기능을 그 객체의 멤버(member)라 합니다.

클래스란 객체를 정의한 것으므로 클래스에는 객체의 모든 속성과 기능이 정의되어 있습니다. 클래스로부터 객체를 생성하면, 클래스에 정의된 속성과 기능을 가진 객체가 만들어지는 것입니다.

 

속성과 기능은 아래와 같이 같은 뜻의 여러 용어가 있으며, 이 중에서도 '속성' 대신 '멤버 변수', '기능' 대신 '메서드'라고 주로 표현합니다.

• 속성(property) : 멤버 변수, 특성, 필드, 상태
• 기능 (funtion) : 메서드, 함수, 행위

예를 들어 Tv라는 클래스를 만들어 보겠습니다.

class Tv {
    String color;
    boolean power;
    int channel;

    void power() { power = !power; }
    void channelUp() { channel++; }
    void channelDown(); { channel--; }
}

 

 

인스턴스의 생성과 사용

 

클래스로부터 인스턴스를 생성하는 방법은 여러가지가 있지만 일반적으로는 다음과 같습니다.

Tv t;				// Tv클래스 타입의 참조 변수 t를 선언
t = new Tv();		// Tv인스턴스를 생성한 후, 생성된 Tv인스턴스의 주소를 t에 저장

 

그림을 통해 단계별로 자세히 살펴보도록 하겠습니다.

1.  Tv t;

Tv클래스 타입의 참조 변수 t를 선언합니다. 메모리에 참조 변수 t를 위한 공간이 마련됩니다.

2.  t = new Tv();

연산자 'new'에 의해 Tv클래스의 인스턴스가 메모리의 빈 공간에 생성됩니다. 이때, 멤버 변수는 각 자료형에 해당하는 기본값으로 초기화 됩니다. 그 다음에는 대입 연산자(=)에 의해서 생성된 객체의 주소가 참조 변수 t에 저장됩니다.
(메서드 코드는 객체 생성 시점이 아닌 클래스 로딩 시점에 메모리에 올라가며, 힙이 아닌 메서드 영역에 저장됩니다.)

인스턴스는 참조 변수를 통해서만 다룰 수 있으며, 참조 변수의 타입은 인스턴스의 타입과 일치해야 합니다.

 

Tv t1 = new Tv();
Tv t2 = new Tv();
t2.channel = 7;
t2 = t1;

이번엔 위 코드의 실행과정을 그림으로 살펴보겠습니다.

1.  Tv t1 = new Tv();
     Tv t2 = new Tv();

Tv 클래스의 인스턴스 t1 과 t2 를 생성합니다. 

2.  t2.channel = 7;

인스턴스 t2의 멤버 변수인 channel의 값을 변경하였습니다. 같은 클래스로부터 생성되었어도 각 인스턴스의 필드 값은 서로 독립적입니다.

3.  t2 = t1;

t1은 참조 변수이므로, 인스턴스의 주소를 저장하고 있습니다. 이 문장이 실행되면, t2가 갖고 있던 값을 잃어버리게 되고 t1에 저장되어 있던 값이 t2에 저장됩니다. 그러면 t2 역시 t1이 참조하고 있던 인스턴스를 같이 참조하게 되고, t2가 원래 참조하고 있던 인스턴스는 더 이상 사용할 수 없게 됩니다.

 

객체 배열

 

다수의 객체를 다뤄야할 때, 배열을 이용하면 편리합니다. 객체 역시 배열로 다루는 것이 가능하며, 이를 '객체 배열'이라고 합니다. 이때, 객체 배열 안에 객체가 저장되는 것이 아닌, 객체의 주소가 저장됩니다. 즉, 객체 배열은 참조 변수들을 하나로 묶은 참조 변수 배열인 것입니다.

Tv[] tvArr = new Tv[3];
tvArr[0] = new Tv();
tvArr[1] = new Tv();
tvArr[2] = new Tv();

위 코드는 길이가 3인 객체 배열 tvArr을 생성하고, 객체를 생성해서 배열의 각 요소에 저장한 것입니다.

1행에서 객체 배열을 생성한 시점에는 모든 요소는 참조 변수의 기본값인 null로 자동 초기화됩니다.

 

물론 아래와 같이 초기화 블럭을 사용하여, 한 줄로 표현할 수도 있습니다.

Tv[] tvArr = { new Tv(), new Tv(), new Tv() };

 

 

클래스의 또 다른 정의

 

클래스는 '객체를 생성하기 위한 틀'이며 '클래스는 속성과 기능으로 정의되어있다'고 했습니다.

이것은 객체지향이론 관점에서의 정의이고, 이번에는 프로그래밍적인 관점에서 클래스의 정의와 의미를 살펴보겠습니다.

1. 클래스 - 데이터와 함수의 결합

프로그래밍 언어에서 데이터 처리를 위한 데이터 저장형태의 발전 과정은 다음과 같습니다.

• 변수: 하나의 데이터를 저장할 수 있는 공간
• 배열: 같은 종류의 여러 데이터를 하나의 집합으로 저장할 수 있는 공간
• 구조체: 서로 관련된 여러 데이터를 종류에 관계없이 하나의 집합으로 저장할 수 있는 공간
• 클래스: 데이터와 함수의 결함(구조체 + 함수)

그동안 데이터와 함수가 서로 관계가 없는 것처럼 데이터는 데이터끼리, 함수는 함수끼리 따로 다루어져 왔지만, 사실 함수는 주로 데이터를 가지고 작업을 하기 때문에 많은 경우에 있어서 데이터와 함수는 관계가 깊습니다.

그래서 자바와 같은 객체지향언어에서는 변수(데이터)와 함수를 하나의 클래스에 정의하여 서로 관계가 깊은 변수와 함수들을 함께 다룰 수 있게 했습니다. 서로 관련된 변수들을 정의하고 이들에 대한 작업을 수행하는 함수들을 함께 정의한 것이 바로 클래스입니다.

 

C언어에서는 문자열을 단순히 문자의 배열로 다루지만, 자바에서는 String이라는 클래스로 문자열을 다룹니다. 문자열을 단순히 문자의 배열로 정의하지 않고 클래스로 정의한 이유는 문자열과 문자열을 다루는데 필요한 함수들을 함께 묶기 위해서입니다.

실제로 String 클래스를 확인해보면 char[]이 아닌 byte[]을 내부적으로 선언해두고 사용하고 있는데, 이는 JDK 9부터 문자열이 U+0000 ~ U+00FF(Latin-1) 범위라면 byte 배열에 문자당 1바이트로 저장하고, 그 범위 외의 문자들은 문자당 2바이트씩 저장하도록 최적화되어 있습니다.

 

2. 클래스 - 사용자정의 타입

프로그래밍 언어에서 제공하는 기본형(primitive type)외에 프로그래머가 서로 관련된 변수들을 묶어서 하나의 타입으로 새로 추가하는 것을 사용자정의 타입(user-defined type)이라고 합니다. 많은 프로그래밍 언어에서 사용자정의 타입을 정의할 수 있는 방법을 제공하고 있으며, 자바와 같은 객체지향언어에서는 클래스가 곧 사용자정의 타입입니다. 

 

만일 다음과 같은 요구사항이 있다고 가정해 보겠습니다.

• 여러 개의 시간 데이터를 저장해야 한다
• 시의 범위는 0~23, 분과 초의 범위는 0~59 이다

int hour;
int minute;
float second;

위와 같이 시간의 시, 분, 초를 각각 변수로 선언하고 저장할 수 있습니다. 그런데 여러 개를 저장해야 하니 배열의 형태로 저장하면 좋을 것 같습니다. 추가로 배열에 값을 추가할 때마다 2번째 조건을 검사해야 합니다.

 

그러나 다음과 같이 클래스를 정의해서 데이터를 저장하면 위와 같은 데이터를 보다 편리하고 정확하게 관리할 수 있습니다.

class Time {
    private int hour;
    private int minute;
    private float second;

    public int getHout() { return hour; }
    public int getMinute() { return minute; }
    public float getSecond() { return second; }

    public void setHour(int h) {
        if (h < 0 || h > 23) return;
        hour = h;
    }

    public void setMinute(int m) {
        if (m < 0 || m > 59) return;
        minute = m;
    }

    public void setSecond(flaot s) {
        if (s < 0.0f || s > 59.99f) return;
        second = s;
    }
}

제어자를 이용해서 변수의 값을 직접 변경하지 못하도록 하고 대신 메서드를 통해서 값을 변경하도록 작성하였습니다. 또한 값을 변경할 때 지정된 값의 유효성을 if문으로 점검한 다음에 유효한 값을 경우에만 변경합니다. 이 외에도 시간과 관련된 다양한 메서드를 추가로 정의하여 Time 클래스를 향상시킬 수도 있습니다.

 

 

변수와 메서드

 

변수의 종류

 

변수는 클래스 변수, 인스턴스 변수, 지역 변수 모두 세 종류가 있습니다. 변수의 종류를 결정 짓는 중요한 요소는 '변수의 선언된 위치'이므로 변수의 종류를 파악하려면, 변수가 어느 영역에 선언되었는지 확인하는 것이 중요합니다.

 

영역은 클래스 영역과 메서드 영역 두 가지뿐이며, 메서드 영역이 아니면 클래스 영역이라고 생각하면 쉽습니다. 메서드 영역에 선언된 변수는 지역 변수이며, 그 외에는 모두 멤버 변수입니다. 멤버 변수 중 static이 붙은 것은 클래스 변수, 붙지 않은 겻은 인스턴스 변수입니다.

그리고 인스턴스 변수와 클래스 변수의 타입으로 var을 사용할 수 없습니다.

변수의 종류	선언 위치	생성 시기
인스턴스 변수 (instance variable)	클래스 영역	인스턴스가 생성될 때
클래스 변수 (class variable)		클래스가 메모리에 올라갈 때
지역 변수 (local variable)	메서드, 생성자, 초기화 블럭	변수 선언문이 수행될 때

1. 인스턴스 변수

클래스 영역에 선언되며, 인스턴스를 생성할 때 만들어집니다. 그래서 인스턴스 변수를 사용하려면 먼저 인스턴스를 생성해야 합니다.

각 인스턴스는 독립적인 저장 공간을 가지므로 서로 다른 값을 가질 수 있습니다.

2. 클래스 변수

클래스 변수는 인스턴스 변수 앞에 static을 붙인 것입니다. 인스턴스 변수와 달리, 클래스 변수는 모든 인스턴스가 저장 공간(변수)을 공유합니다. 같은 클래스의 모든 인스턴스들이 공통적인 값을 유지해야 하는 속성의 경우, 클래스 변수로 선언해야 합니다.

 

클래스 변수는 인스턴스를 생성하지 않고도 언제라도 바로 사용할 수 있으며, '클래스 이름.클래스 변수'와 같은 형식으로 사용합니다. 클래스 변수는 클래스가 메모리에 로딩(loading)될 때 자동 생성되어 프로그램이 종료될 때까지 유지되며, public을 앞에 붙이면 같은 프로그램 내에서 어디서나 접근할 수 있는 '전역 변수(global variable)'의 성격을 갖습니다.

3. 지역 변수

메서드 내에 선언되어 메서드 내에서만 사용 가능하며, 메서드가 호출되면 만들어졌다가 메서드가 종료되면 소멸합니다. for문 또는 while문 블럭 내에서 선언된 지역 변수는 지역 변수가 선언된 블럭{ } 내에서만 사용 가능하며, 블럭{ }을 벗어나면 소멸되어 사용할 수 없게 됩니다.

 

클래스 변수와 인스턴스 변수

 

클래스 변수와 인스턴스 변수의 차이를 이해하기 위한 예로, 카드 클래스를 정의해 보겠습니다.

class Card {
    String kind;		// 무늬
    int number;			// 숫자

    static int width = 100;		// 폭
    static int height = 250;		// 높이
}

각 Card인스턴스는 자신만의 무늬(kind)와 숫자(number)를 유지하고 있어야 하므로 이들은 인스턴스 변수로 선언하였고, 각 카드의 폭(width)과 높이(height)는 모든 인스턴스가 공통적으로 같은 값을 유지해야하므로 클래스 변수로 선언하였습니다.

 

클래스 변수를 사용할 때 참조 변수를 통해서도 사용할 수 있지만, 이렇게 하면 인스턴스 변수로 오해할 수 있기 때문에 클래스 이름을 통해 사용하는 것이 좋습니다.

 

메서드

 

메서드(method)는 특정 작업을 수행하는 문장들을 하나로 묶은 것입니다. 메서드를 사용함으로써 얻는 이점은 여러 가지가 있지만 그 중에서 대표적인 세 가지가 있습니다.

1. 높은 재사용성(reusability)
2. 중복된 코드의 제거
3. 프로그램의 구조화

메서드는 크게 두 부분, '선언부(header)'와 '구현부(body)'로 이루어져 있으며, 메서드는 다음과 같은 형식으로 정의합니다.

int add (int x, int y)
{
    int result = x + y;
    
    return result;
}

메서드 선언부(method declaration)

메서드 선언부는 '메서드 이름'과 '매개변수 선언' 그리고 ' 반환타입'으로 구성되어 있으며, 메서드가 작업을 수행하기 위해 어떤 값들을 필요로 하고 작업의 결과로 어떤 타입의 값을 반환하는지에 대한 정보를 제공합니다.

 

- 매개변수 선언

매개변수는 메서드가 작업을 수행하는데 필요한 값들(입력)을 제공받기 위한 것이며, 필요한 값의 개수만큼 변수를 선언하며 쉽표(,)를 구분자로 사용합니다. 주의할 점은 일반적인 변수 선언과 달리 두 변수의 타입이 같아도 변수의 타입을 생략할 수 없다는 것입니다.

선언할 수 있는 매개변수의 개수는 거의 제한이 없으며, 만일 값을 전혀 입력받을 필요가 없다면 괄호( ) 안에 아무 것도 적지 않습니다.

 

- 메서드의 이름

메서드의 이름도 앞서 배운 변수의 명명규칙대로 작성하면 됩니다. 메서드는 특정 작업을 수행하므로 메서드의 이름은 'add'처럼 동사인 경우가 많으며, 이름만으로도 메서드의 기능을 쉽게 알 수 있도록 짓는게 좋습니다. 

 

- 반환타입

메서드의 작업수행 결과(출력)인 '반환값(return value)'의 타입을 적습니다. 반환값이 없는 경우 반환타입으로 'void'를 적어야 합니다.

 

메서드 구현부(method body)

메서드의 선언부 다음에 오는 괄호{ }를 메서드의 구현부라고 하는데, 여기에 메서드를 호출했을 때 수행될 문장들을 넣습니다.

 

- return문

메서드의 반환타입이 'void'가 아닌 경우, 구현부{ } 안에 'return 반환값;'이 반드시 포함되야 합니다. 이 문장은 작업을 수행한 결과인 반환값을 호출한 메서드로 전달하는데, 이 값의 타입은 반환타입과 일치하거나 자동 형변환이 가능한 것이어야 합니다.

여러 변수를 선언할 수 있는 매개변수와 달리 return문은 단 하나의 값만 반환할 수 있는데, 메서드로의 입력(매개변수)은 여러 개일 수 있어도 출력(반환값)은 없거나 하나만 허용합니다.

 

- 지역 변수

메서드 내에 선언된 변수들은 그 메서드 내에서만 사용할 수 있으므로 서로 다른 메서드라면 같은 이름의 변수를 선언해도 됩니다. 이처럼 메서드 내에 선언된 변수를 '지역 변수(local variable)'라고 합니다.

 

메서드 호출

 

메서드를 정의했어도 호출하지 않으면 아무 일도 일어나지 않습니다. 메서드를 호출해야만 구현부{ }의 문장들이 수행됩니다.

메서드를 호출하는 방법은 다음과 같습니다.

// 메서드 이름(값1, 값2);

printAll();
int result = add(3, 5);

 

인자와 매개변수

메서드를 호출할 때 괄호( ) 안에 지정해준 값들을 '인자(argument)'라고 하는데, 인자의 개수와 순서는 호출된 메서드에 선언된 매개변수와 일치해야 합니다. 그리고 인자는 메서드가 호출되면서 매개변수에 대입되므로, 인자의 타입은 매개변수의 타입과 일치하거나 자동 형변환이 가능한 것이어야 합니다.

메서드의 실행흐름

메서드가 호출되면 지금까지 실행 중이던 메서드는 실행을 잠시 멈추고 호출된 메서드의 문장들이 실행됩니다. 호출된 메서드의 작업이 모두 끝나면, 다시 호출한 메서드로 돌아와 이후의 문장들을 실행합니다. 

위의 그림에서는 편의상 메서드 add의 호출 결과가 바로 value에 저장되는 것처럼 표현했지만, 사실은 호출한 자리를 반환값이 대신하고 대입 연산자에 의해 이 값이 변수 value에 저장됩니다.

int value = add(3, 5);
=> int value = 8;

 

return문

 

return문은 현재 실행중인 메서드를 종료하고 호출한 메서드로 되돌아갑니다. 앞에서 반환값이 있을 때만 return을 썼지만, 원래는 반환값의 유무에 관계없이 모든 메서드에는 적어도 하나의 return문이 있어야 합니다. 메서드의 반환타입이 void인 경우, return문이 없어도 아무런 문제가 없었던 이유는 컴파일러가 메서드의 마지막에 자동으로 'return;'을 추가해주었기 때문입니다.

그러나 반환타입이 void가 아닌 경우에는 반드시 return문이 있어야 합니다. return문이 없으면 컴파일 에러가 발생합니다.

 

반환값으로는 주로 변수가 오긴 하지만 그 외에도 식이나 메서드나 조건 연산자가 올 수 있습니다. 물론 식 자체가 반환되는 것은 아니고, 식, 메서드, 조건 연산자가 연산(계산)된 결과가 반환됩니다.

return x + y;			// 식

return abs(x - y);		// 메서드

return x >= 0 ? x : -x;		// 조건 연산자

 

매개변수 유효성 검사

메서드의 구현부{ }를 작성할 때, 제일 먼저 해야 하는 일이 매개변수의 값이 적절한 것인지 확인하는 것입니다. 메서드를 작성할 때 '호출하는 쪽에서 알아서 적절한 값을 넘겨주겠지'라고 생각하면 안됩니다. 타입만 맞으면 어떤 값도 매개변수를 통해 넘어올 수 있기 때문에 가능한 모든 경우의 수에 대해 고민하고 그에 대비한 코드를 작성해야 합니다.

 

만약 적절하지 않은 값이 매개변수를 통해 넘어 온다면 매개변수의 값을 보정하던가, 보정하는 것이 불가능하다면 return문을 사용해서 작업을 중단하고 호출한 메서드로 되돌아가야 합니다.

float divide (int x, int y) {
    if (y == 0) {
        System.out.println("0으로 나눌 수 없습니다.");
        return 0;
    }
}

위 메서드에서 매개변수 x를 y로 나눈 결과를 실수(float)타입으로 반환하는데, 0으로 나누는 것은 금지되어 있기 때문에 계산 전에 y의 값이 0인지 확인해야 합니다. 만일 0으로 나누게 되면 에러가 발생하여 프로그램이 비정상적으로 종료됩니다.

 

JVM 메모리 구조

 

자바 프로그램이 실행되면, JVM은 시스템으로부터 프로그램을 수행하는데 필요한 메모리를 할당받고 JVM은 이 메모리를 용도에 따라 여러 영역으로 나누어 관리합니다. 그 중 3가지 주요 영역(method area, call stack, heap)에 대해 알아보겠습니다.

1. 메서드 영역 (method area)

프로그램 실행 중 어떤 클래스가 필요하면, JVM은 해당 클래스의 클래스 파일(*.class)을 읽어서 분석하여 클래스에 대한 정보(클래스 데이터)를 이곳에 저장합니다. 이때, 그 클래스의 클래스 변수(class variable)도 이 영역에 함께 생성됩니다.

2. 힙 (heap)

인스턴스가 생성되는 공간으로, 프로그램 실행 중에 인스턴스는 모두 이곳에 생성됩니다.

즉, 인스턴스 변수(instance variable)가 생성되는 공간입니다.

3. 호출 스택 (call stack 또는 execution stack)

호출 스택은 메서드의 작업에 필요한 메모리 공간을 제공합니다. 메서드가 호출되면 호출스택에 호출된 메서드를 위한 메모리가 할당되며, 이 메모리는 메서드가 작업을 수행하는 동안 지역 변수(매개변수 포함)와 연산의 결과를 저장하는데 사용됩니다. 그리고 메서드가 종료되면 할당되었던 메모리 공간은 자동으로 반환됩니다.

 

처음 호출된 메서드를 위한 작업 공간이 호출스택 맨 밑에 마련되고, 메서드가 수행중에 다른 메서드를 호출하면 자신의 바로 위에 호출된 메서드를 위한 공간이 마련됩니다. 이때 호출한 메서드(caller)는 수행을 멈추고, 호출된 메서드(callee)가 수행되기 시작합니다. 호출된 메서드가 수행을 마치면, 이 메서드가 사용하던 메모리 공간이 호출스택에서 제거되며 멈추었던 메서드(caller)는 다시 수행을 계속합니다.

호출스택의 제일 상위에 위치하는 메서드가 현재 실행 중인 메서드이며, 나머지는 대기 상태에 있게 됩니다.

 

반환타입이 있는 메서드는 종료되면서 결과값을 자신을 호출한 메서드(caller)에게 반환합니다. 대기 상태에 있던 호출한 메서드(caller)는 넘겨받은 반환값으로 수행을 계속 진행합니다.

 

class CallStack {
    public static void main(String[] args) {
    	firstMethod();
    }

    static void firstMethod() {
    	secondMethod();
    }

    static void secondMethod() {
    	System.out.println("secondMethod");
    }
}

위 코드를 실행하면 다음과 같은 순서로 동작합니다.

 

기본형 매개변수와 참조형 매개변수

 

자바에서는 메서드를 호출할 때 매개변수로 지정한 값을 메서드의 매개변수에 복사해서 넘겨줍니다. 매개변수의 타입이 기본형(primitive type)일 때는 기본형 값이 복사되겠지만, 참조형(reference type)이면 인스턴스의 주소가 복사됩니다. 따라서 매개변수가 기본형인 경우 단순히 저장된 값만 얻지만, 참조형으로 선언하면 값이 저장된 곳의 주소를 알 수 있기 때문에 값을 읽어 오는 것은 물론 값을 변경하는 것도 가능합니다.

• 기본형 매개변수: 변수의 값을 읽기만 할 수 있습니다. (read only)
• 참조형 매개변수: 변수의 값을 읽고 변경할 수 있습니다. (read & write)

다음 두 가지 예제를 통해서 살펴보겠습니다.

기본형 매개변수

class Data { int x; }

class PrimitiveParamEx {
    public static void main(String[] args) {
        Data d = new Data();
        d.x = 10;
        System.out.println("main() : x = " + d.x);	// x = 10

        change(d.x);
        System.out.println("After Change main() : x = " + d.x);		// x = 10
    }

    static void change(int x) {
        x = 1000;
        System.out.println("change() : x = " + x);	// x = 1000
    }
}

참조형 매개변수

class Data { int x; }

class ReferenceParamEx {
    public static void main(String[] args) {
        Data d = new Data();
        d.x = 10;
        System.out.println("main() : x = " + d.x);	// x = 10

        change(d);
        System.out.println("After Change main() : x = " + d.x);		// x = 1000
    }

    static void change(Data d) {
        d.x = 1000;
        System.out.println("change() : x = " + d.x);	// x = 1000
    }
}

 

 

참조형 반환타입

 

매개변수뿐만 아니라 반환타입도 참조형이 가능합니다. 반환타입이 참조형이라는 것은 반환하는 값의 타입이 참조형이라는 말로, 모든 참조형 타입의 값은 '객체의 주소'이므로 그저 정수값이 반환되는 것일 뿐 특별할 것이 없습니다.

다음 예제로 살펴보겠습니다.

class Data { int x; }

class ReferenceReturnEx {
    public static void main(String[] args) {
        Data d = new Data();
        d.x = 10;
        
        Data d2 = copy(d);
        System.out.println("d.x = " + d.x);
        System.out.println("d2.x = " + d2.x);
    }

    static Data copy(Data d) {
        Data tmp = new Data();
        tmp.x = d.x;
        return tmp;
    }
}

copy 메서드에서 생성 후 반환된 Data 객체의 주소가 참조변수 d2에 저장되어, tmp가 아닌 d2로 새로운 객체를 다룰 수 있습니다.

 

재귀 호출

 

메서드의 내부에서 메서드 자신을 다시 호출하는 것을 '재귀 호출(recursive call)'이라 하고, 재귀 호출을 하는 메서드는 '재귀 메서드'라 합니다.

void method() {
    method();
}

메서드의 입장에서는 자기 자신을 호출하는 것과 다른 메서드를 호출하는 것의 차이가 없습니다. 호출된 메서드는 '값에 의한 호출(call by value)'을 통해, 원래의 값이 아닌 복사된 값으로 작업하기 때문에 호출한 메서드와 관계없이 독립적인 작업 수행이 가능합니다.

 

그런데 위의 코드처럼 오로지 재귀 호출뿐이면, 무한히 자기 자신을 호출하기 때문에 무한반복에 빠지게 됩니다. 무한반복문이 조건문과 함께 사용되어야 하는 것처럼, 재귀 호출도 조건문이 필연적으로 따라다닙니다.

 

재귀 호출은 반복문과 유사한 점이 많으며, 대부분의 재귀 호출은 반복문으로 작성하는 것이 가능합니다.

재귀 호출의 대표적인 예인 팩토리얼(factorial)로 확인해보겠습니다.

위 그림과 같이 재귀 호출을 반복문으로 작성할 수 있습니다.

반복문은 그저 같은 문장을 반복해서 수행하는 것이지만, 메서드를 호출하는 것은 반복문보다 몇 가지 과정, 예를 들면 매개변수 복사와 종료 후 복귀할 주소저장 등, 이 추가로 필요하기 때문에 반복문보다 재귀 호출의 수행시간이 더 오래 걸립니다.

 

따라서 재귀 호출에 드는 비용보다 재귀 호출의 간결함이 주는 이득이 충분히 큰 경우에만 사용하는 것이 좋습니다.

 

public static void main(String[] args) {
    main(null);
}

위 코드와 같이 main 메서드 역시 자기 자신을 호출하는 것이 가능하며 아무런 조건도 없이 계속해서 자기 자신을 다시 호출하기 때문에 무한 호출에 빠지게 됩니다. main 메서드가 종료되지 않고 호출 스택에 계속해서 쌓이게 되므로 결국 호출 스택의 메모리 한계를 넘게 되고 StackOverflowError가 발생하여 프로그램은 비정상적으로 종료됩니다.

 

클래스 메서드와 인스턴스 메서드

 

변수에서와 같이, 메서드 앞에 static이 붙어 있으면 클래스 메서드이고, 붙어 있지 않으면 인스턴스 메서드입니다. 클래스 메서드도 클래스 변수처럼, 객체를 생성하지 않고도 '클래스이름.메서드이름'와 같은 형식으로 호출이 가능합니다. 반면에 인스턴스 메서드는 반드시 객체를 생성해야만 호출할 수 있습니다.

 

클래스는 '데이터(변수)와 데이터에 관련된 메서드의 집합'이므로, 같은 클래스 내에 있는 메서드와 멤버변수는 아주 밀접한 관계가 있습니다. 인스턴스 메서드는 인스턴스 변수와 관련된 작업을 하는, 즉 메서드의 작업을 수행하는데 인스턴스 변수를 필요로 하는 메서드입니다. 그런데 인스턴스 변수는 인스턴스(객체)를 생성해야만 만들어지므로 인스턴스 메서드 역시 인스턴스를 생성해야 호출할 수 있습니다.

 

반면에 메서드 중에서 인스턴스와 관계없는(인스턴스 변수나 인스턴스 메서드를 사용하지 않는) 메서드를 클래스 메서드(static 메서드)로 정의합니다. 물론 인스턴스 변수를 사용하지 않는다고 해서 반드시 클래스 메서드로 정의해야 하는 것은 아니지만 특별한 이유가 없는 한 클래스 메서드로 정의합니다.

 

1. 멤버변수 중 모든 인스턴스에 공통으로 사용하는 것에 static을 붙입니다.

- 인스턴스는 서로 독립적이기 때문에 각 인스턴스 변수는 서로 다른 값을 유지합니다.

2. 클래스 변수(static 변수)는 인스턴스를 생성하지 않아도 사용할 수 있습니다.

- static이 붙은 변수(클래스 변수)는 클래스가 메모리에 올라갈 때 자동으로 생성됩니다.

3. 클래스 메서드(static 메서드)는 인스턴스 변수를 사용할 수 없습니다.

- 인스턴스 변수는 인스턴스가 반드시 존재해야만 사용할 수 있는데, 클래스 메서드(static 메서드)는 인스턴스 생성 없이 호출 가능하므로 클래스 메서드가 호출되었을 때 인스턴스가 존재하지 않을 수도 있습니다. 

- 반면에 인스턴스 변수나 인스턴스 메서드는 static 변수나 static 메서드를 언제든지 사용 가능합니다.

4. 메서드 내에서 인스턴스 변수를 사용하지 않는다면, static을 붙이는 것을 고려합니다.

- 객체 행위(인스턴스 메서드)인지, 유틸 기능(클래스 메서드)인지 구분하여 메서드를 선언합니다.

 

 

오버로딩(overloading)

 

메서드도 변수와 마찬가지로 같은 클래스 내에서 서로 구별될 수 있어야 하므로 각기 다른 이름을 가져야 합니다. 그러나 자바에서는 한 클래스 내에 이미 같은 이름의 메서드가 있어도 매개변수의 개수 또는 타입이 다르면, 같은 이름의 메서드를 여러 개 정의할 수 있습니다.

이처럼 한 클래스 내에 같은 이름의 메서드를 여러 개 정의하는 것을 '오버로딩(overloading)'이라 합니다.

 

오버로딩 메서드의 가장 대표적인 예는 println 메서드입니다. PrintStream 클래스에는 어떤 종류의 매개변수를 지정해도 출력할 수 있도록 10개의 오버로딩된 println 메서드가 정의되어 있습니다. 이렇게 여러 메서드들이 하나의 이름으로 정의되면 이름도 기억하기 쉽고, 이름만 보고도 '서로 같은 기능을 하겠구나'라고 쉽게 예측할 수 있습니다.

 

오버로딩의 조건

 

같은 이름의 메서드를 정의한다고 해서 무조건 오버로딩인 것은 아닙니다. 오버로딩이 성립하기 위해서는 다음과 같은 조건을 만족해야 합니다.

• 메서드 이름이 같아야 합니다.
• 매개변수의 개수 또는 타입이 달라야 합니다.
• 반환타입은 상관없습니다.

한 가지 주의할 점은 매개변수의 타입과 개수가 같아도, 매개변수의 순서가 다르면 오버로딩으로 간주한다는 것입니다.

 

가변인자와 오버로딩

 

기존에는 메서드의 매개변수 개수가 고정적이었으나 JDK 5부터 동적으로 지정해 줄 수 있게 되었으며, 이 기능을 '가변인자(variable arguments)'라고 합니다. 가변인자는 '타입... 변수명'과 같은 형식으로 선언하며, PrintStream클래스의 printf 메서드가 대표적인 예입니다.

public PrintStream printf(String format, Object... args) {...}

위와 같이 가변인자 외에도 매개변수가 더 있다면, 가변인자를 매개변수 중에서 제일 마지막에 선언해야 합니다. 그렇지 않으면 컴파일 에러가 발생합니다.

 

만일 여러 문자열을 하나로 결합하여 반환하는 concatenate 메서드를 작성한다면, 아래와 같이 작성할 수 있습니다.

 

다음처럼 위 메서드를 호출할 때 다양한 인자를 전달해 줄 수 있습니다.

concatenate();
concatenate("a");
concatenate("a", "b", "c");
concatenate(new String[]{ "a", "b" });

심지어는 인자가 아예 없어도 되고, 배열도 인자가 될 수 있습니다.

가변인자는 내부적으로 배열을 이용하기 때문에 가변인자가 선언된 메서드를 호출할 때마다 배열이 새로 생성됩니다. 가변인자는 편리하지만, 이런 비효율이 숨어있으므로 꼭 필요한 경우에만 가변인자를 사용하는 것이 좋습니다.

 

그러면 매개변수를 가변인자와 배열로 하는 것의 차이를 살펴보겠습니다.

String concatenate(String[] str) {...}

concatenate(new String[0]);
concatenate(null);
concatenate();			// error

매개변수의 타입을 배열로 하면, 반드시 인자를 지정해줘야하기 때문에, 위의 코드에서 처럼 인자를 생략할 수 없습니다. 그래서 null이나 길이가 0인 배열을 인자로 지정해줘야하는 불편함이 있습니다.

 

 

생성자(constructor)

 

생성자는 인스턴스가 생성될 때 호출되는 '인스턴스 초기화 메서드'입니다. 따라서 인스턴스 변수의 초기화 작업에 주로 사용되며, 인스턴스 생성 시에 실행되어야 할 작업을 위해서도 사용됩니다.

 

생성자도 일종의 메서드지만 리턴값이 없다는 점이 일반적인 메서드와 다릅니다. 그리고 생성자 앞에 리턴값이 없음을 뜻하는 키워드 void를 붙이지 않습니다. 생성자의 조건은 다음과 같습니다.

1. 생성자의 이름은 클래스의 이름과 같아야 합니다.
2. 생성자는 리턴 값이 없습니다.

클래스 이름(타입 변수명, 타입 변수명, ...) {
    // 인스턴스 생성 시 수행될 코드 (주로 인스턴스 변수의 초기화)
}

class Card {
    Card() {...}	// 매개변수가 없는 생성자

    Card(String k, int num) {...}	// 매개변수가 있는 생성자
}

생성자도 오버로딩이 가능하므로 하나의 클래스에 여러 개의 생성자가 존재할 수 있습니다.

 

생성자라는 용어 때문에 오해하기 쉬운데, new 연산자가 인스턴스를 생성하는 것이지 생성자가 인스턴스를 생성하는 것이 아닙니다.

Card c = new Card();

위 코드의 수행 과정을 살펴보겠습니다.

1. new 연산자에 의해서 메모리(heap)에 Card클래스의 인스턴스가 생성됩니다.
2. 생성자 Card()가 호출되어 수행됩니다.
3. 생성된 Card인스턴스의 주소가 참조변수 c에 저장됩니다.

지금까지 인스턴스를 생성할 때 사용했던 new 연산자와 함께 쓰인 Card()는 바로 생성자를 호출하는 것이었습니다.

 

기본 생성자

 

모든 클래스에는 반드시 하나 이상의 생성자가 정의되어 있어야 합니다. 지금까지 클래스에 생성자를 정의하지 않고도 인스턴스를 생성할 수 있었던 이유는 컴파일러가 제공하는 '기본 생성자(default constructor)' 덕분입니다.

 

컴파일 할 때, 소스파일(*.java)의 클래스에 생성자가 하나도 정의되지 않은 경우 컴파일러는 자동적으로 기본 생성자를 추가합니다.

클래스 이름() {}

컴파일러가 자동으로 추가해주는 기본 생성자는 위와 같이 매개변수도 없고 아무런 내용도 없는 메서드입니다. 특별히 인스턴스 초기화 작업이 요구되어지지 않는다면 생성자를 정의하지 않고 컴파일러가 제공하는 기본 생성자를 사용하는 것도 좋습니다. 그러나 기본 생성자가 컴파일러에 의해서 자동 추가되는 경우는 생성자가 하나도 없을 때, 즉 오버로딩된 생성자도 없을 때 뿐입니다.

무인자 생성자는 개발자가 명시적으로 작성한 매개변수가 없는 생성자를 의미하고,
기본 생성자는 클래스에 어떤 생성자도 정의하지 않았을 때 컴파일러가 자동으로 추가해주는 무인자 생성자를 의미합니다.

 

매개변수가 있는 생성자

 

생성자도 메서드처럼 매개변수를 선언하여 호출 시 값을 넘겨받아서 인스턴스의 초기화 작업에 사용할 수 있습니다. 인스턴스마다 각기 다른 값으로 초기화되어야 하는 경우가 많기 때문에 매개변수를 사용한 초기화는 매우 유용합니다.

class Car {
    String color;
    String gearType;
    int door;

    Car() {}	// 기본 생성자
    Car(String c, String g, int d) {	// 매개변수가 있는 생성자
        color = c;
        gearType = g;
        door = d;
    }
}

위 코드의 Car 인스턴스를 생성할 때 기본 생성자를 사용하면 인스턴스를 생성한 후에 인스턴스 변수들을 따로 초기화해야 하지만, 매개변수가 있는 생성자를 이용하면 인스턴스를 생성하는 동시에 원하는 값으로 초기화를 할 수 있습니다.

Car c = new Car("white", "auto", 4);

 

this(), this

 

같은 클래스의 멤버들 간에 서로 호출할 수 있는 것처럼 생성자도 서로 호출이 가능합니다.

단, 다음의 두 조건을 만족시켜야 합니다.

• 생성자의 이름으로 클래스이름 대신 this를 사용합니다.
• 다른 생성자를 호출할 때 반드시 첫 줄에서만 호출이 가능합니다.

다음 코드는 잘못된 생성자 호출의 예입니다.

생성자에서 다른 생성자를 첫 줄에서만 호출이 가능하도록 한 이유는 생성자 내에서 초기화 작업 중에 다른 생성자를 호출하면, 호출된 다른 생성자 내에서도 멤버변수들의 값을 초기화할 것이므로 이전의 초기화 작업이 무의미해질 수 있기 때문입니다.

 

다음은 올바르게 생성자를 호출하는 예시를 보겠습니다.

class Car {
    String color;
    String gearType;
    int door;

    Car () {
        this("white", "auto", 4);
    }

    Car (String color) {
        this(color, "auto", 4);
    }

    Car (String color, String gearType, int door) {
        this.color = color;
        this.gearType = gearType;
        this.door = door;
    }
}

위 코드에서 매개변수가 있는 생성자에서 'this'라는 참조 변수를 사용하였는데, 이는 인스턴스 자신을 가리킵니다. 생성자의 매개변수의 이름과 인스턴스 변수의 이름이 같을 경우에는 이름만으로 두 변수가 서로 구별이 안됩니다. 이런 경우 인스턴스 변수 앞에 'this'를 붙이면 구별이 가능합니다.

 

객체를 생성한 후 참조 변수를 통해 인스턴스의 멤버에 접근할 수 있는 것처럼, 'this'를 통해서 인스턴스 변수에 접근할 수 있는 것입니다. 하지만 'this'를 사용할 수 있는 것은 인스턴스 멤버 뿐입니다. static 메서드(클래스 메서드)에서는 인스턴스 변수를 사용할 수 없는 것처럼, 'this' 역시도 사용할 수 없습니다.  왜냐하면 static메서드는 인스턴스를 생성하지 않고도 호출될 수 있으므로 static메서드가 호출된 시점에 인스턴스(this)가 존재하지 않을 수도 있기 때문입니다.

 

생성자를 이용한 인스턴스 복사

 

현재 사용하고 있는 인스턴스와 같은 상태를 갖는 인스턴스를 하나 더 만들고자 할 때 생성자를 이용할 수 있습니다. 두 인스턴스가 같은 상태를 갖는다는 것은 두 인스턴스의 모든 인스턴스 변수(상태)가 동일한 값을 갖고 있다는 것을 뜻합니다.

하나의 클래스로부터 생성된 모든 인스턴스의 클래스 변수와 메서드는 서로 동일하기 때문에 인스턴스간의 차이는 인스턴스마다 각기 다른 값을 가질 수 있는 인스턴스 변수뿐입니다.

Car (Car c) {
    color = c.color;
    gearType = c.gearType;
    door = c.door;
}

위의 코드는 Car 클래스의 참조 변수를 매개변수로 선언한 생성자입니다. 매개변수로 넘겨진 참조 변수가 가리키는 Car인스턴스의 인스턴스 변수인 color, gearType, door의 값을 인스턴스 자신으로 복사하는 것입니다.

이렇게 하면 어떤 인스턴스의 상태를 전혀 알지 못해도 똑같은 상태의 인스턴스를 추가로 생성할 수 있습니다. Java API의 많은 클래스들이 인스턴스의 복사를 위한 생성자를 제공하고 있습니다.

 

 

변수의 초기화

 

변수를 선언하고 처음으로 값을 저장하는 것을 '변수의 초기화'라고 합니다. 변수의 초기화는 경우에 따라서 필수적이기도 하고 선택적이기도 하지만, 가능하면 선언과 공시에 적절한 값으로 초기화하는 것이 바람직합니다.

 

멤버 변수는 초기화를 하지 않아도 자동적으로 변수의 자료형에 맞는 기본값으로 초기화가 이루어지므로 초기화하지 않고 사용할 수 있지만, 지역변수는 사용하기 전에 반드시 초기화를 해야합니다. 인스턴스 변수와 클래스 변수는 초기화가 필수가 아니라서 타입 추론(var)을 허용하지 않습니다.

지역변수와 달리 멤버변수는 다음과 같이 여러 가지 초기화 방법이 있습니다.

1. 명시적 초기화(explicit initialization)
2. 생성자(constructor)
3. 초기화 블럭(initialization block)

 

명시적 초기화

 

변수를 선언과 동시에 초기화하는 것을 명시적 초기화라고 합니다. 가장 기본적이면서도 간단한 초기화 방법이므로 여러 초기화 방법 중에서 가장 우선적으로 고려되어야 합니다.

class Car {
    int door = 4;
    Engine e = new Engine();
}

명시적 초기화가 간단하고 명료하긴 하지만, 보다 복잡한 초기화가 필요할 때는 '초기화 블럭'이나 '생성자'를 사용해야 합니다.

 

초기화 블럭

 

초기화 블럭에는 '클래스 초기화 블럭'과 '인스턴스 초기화 블럭' 두 가지 종류가 있습니다. 클래스 초기화 블럭인 클래스 변수의 초기화에 사용되고, 인스턴스 초기화 블럭은 인스턴스 변수의 초기화에 사용됩니다.

초기화 블럭을 작성하려면, 인스턴스 초기화 블럭은 단순히 클래스 내에 블럭{ }을 맏늘고 그 안에 코드를 작성하기만 하면 됩니다. 그리고 클래스 초기화 블럭은 인스턴스 초기화 블럭 앞에 단순히 static을 붙이기만 하면 됩니다.

class InitBlock {
    static { /* 클래스 초기화 블럭  */ }
    
    { /* 인스턴스 초기화 블럭 */ }
}

초기화 블럭 내에서는 조건문, 반복문, 예외처리구문 등을 자유롭게 사용할 수 있으므로, 초기화 작업이 복잡하여 명시적 초기화만으로는 부족한 경우 초기화 블럭을 사용합니다.

 

클래스 초기화 블럭은 클래스가 메모리에 처음 로딩될 때 한 번만 수행되며, 인스턴스 초기화 블럭은 생성자와 같이 인스턴스를 생성할 때마다 수행됩니다.

 

인스턴스 초기화 블럭은 생성자보다도 먼저 수행됩니다. 인스턴스 변수의 초기화는 주로 생성자에서 수행하고, 생성자에서 공통으로 수행돼야 하는 코드를 인스턴스 초기화 블럭에 넣습니다.

 

멤버변수의 초기화 시기와 순서

 

이번에는 초기화가 수행되는 시기와 순서에 대해 정리해보겠습니다.

초기화 시점

• 클래스 변수: 클래스가 처음 로딩될 때 단 한 번
• 인스턴스 변수: 인스턴스가 생성될 때마다

초기화 순서

• 클래스 변수: 기본값 -> 명시적 초기화 -> 클래스 초기화 블럭
• 인스턴스 변수: 기본값 -> 명시적 초기화 -> 인스턴스 초기화 블럭 -> 생성자