Java의 객체지향 프로그래밍 [1] : 클래스 변수, 인스턴스 변수, JVM의 메모리 구조, 클래스 메서드와 인스턴스 메서드

객체지향이론의 기본 개념은 '실제 세계는 사물(객체)로 이루어져 있으며, 발생하는 모든 사건들은 사물간의 상호작용이다.'라는 것이다. 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 있다.

 

▶ 객체지향 언어

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객체지향 언어는 기존의 프로그래밍 언어와 다른 전혀 새로운 것이 아니라, 기존의 프로그래밍 언어에 몇 가지 새로운 규칙을 추가한 보다 발전된 형태의 것이다. 이러한 규칙들을 이용해서 코드 간에 서로 관계를 맺어 줌으로써 보다 유기적으로 프로그램을 구성하는 것이 가능해졌다.

 

1. 코드의 재사용성이 높다.

: 새로운 코드를 작성할 때 기존의 코드를 이용해서 쉽게 작성할 수 있다.

 

2. 코드의 관리가 용이하다.

: 코드 간의 관계를 이용해서 적은 노력으로 쉽게 코드를 변경할 수 있다.

 

3. 신뢰성이 높은 프로그래밍을 가능하게 한다.

: 제어자와 메서드를 이용해서 데이터를 보호하고 올바른 값을 유지하도록 하며, 코드의 중복을 제거하여 코드의 불일치로 인한 오동작을 방지할 수 있다.

 

객체지향언어의 가장 큰 장점은 '코드의 재사용성이 높고 유지보수가 용이하다.'는 것이다. 

 

 

 

 

 

 

▶ 변수와 메서드

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선언위치에 따른 변수의 종류

변수는 클래스 변수, 인스턴스 변수, 지역 변수 모두 세 종류가 있다. 변수의 종류를 결정짓는 중요한 요소는 '변수의 선언된 위치'이므로 변수의 종류를 파악하기 위해서는 변수가 어느 영역에 선언되었는지를 확인하는 것이 중요하다.

 

멤버 변수를 제외한 나머지 변수들은 모두 지역변수이며, 멤버변수 중 static이 붙은 것은 클래스 변수, 붙지 않은 것은 인스턴스 변수이다.

 

class Variables{
    int iv;           // 인스턴스 변수
    static int cv;    // 클래스 변수(static 변수, 공유변수)
    
    void method(){
        int lv = 0;   // 지역변수
    }
 }

 

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

 

 

1. 인스턴스 변수(instance variable)

클래스 영역에 선언되며, 클래스의 인스턴스를 생성할 때 만들어진다. 그렇기 때문에 인스턴스 변수의 값을 읽어 오거나 저장하기 위해서는 먼저 인스턴스를 생성해야 한다.

인스턴스는 독립적인 저장공간을 가지므로 서로 다른 값을 가질 수 있다. 인스턴스마다 고유한 상태를 유지해야하는 속성의 경우, 인스턴스 변수로 선언한다.

 

 

2. 클래스 변수(class variable)

클래스 변수를 선언하는 방법은 인스턴스 변수 앞에 static을 붙이기만 하면 된다. 인스턴스마다 독립적인 저장공간을 갖는 인스턴스변수와는 달리, 클래스변수는 모든 인스턴스가 공통된 저장공간(변수)을 공유하게 된다. 한 클래스의 모든 인스턴스들이 공통적인 값을 유지해야하는 속성의 경우, 클래스 변수로 선언해야 한다.

클래스가 메모리에 로딩(loading)될 때 생성되어 프로그램이 종료될 때까지 유지되며, 전역변수의 성격을 갖는다.

 

 

3. 지역 변수(local variable)

메서드 내에 선언되어 메서드 내에서만 사용 가능하며, 메서드가 종료되면 소멸되어 사용할 수 없게 된다.

 

 

※ 인스턴스 변수는 인스턴스가 생성될 때 마다 생성되므로 인스턴스마다 각기 다른 값을 유지할 수 있지만, 클래스 변수는 모든 인스턴스가 하나의 저장공간을 공유하므로, 항상 공통된 값을 갖는다.

 

 

 

 

 

▶ JVM의 메모리 구조

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

 

 

 

1. 메서드 영역(method area)

: 프로그램 실행 중 어떤 클래스가 사용되면, JVM은 해당 클래스의 클래스 파일(*.class)을 읽어서 분석하여 클래스에 대한 정보(클래스 데이터)를 이곳에 저장한다. 이 때, 그 클래스의 클래스 변수(class variable)도 이 영역에 함께 생성된다.

 

 

2. 힙(heap)

: 인스턴스가 생성되는 공간, 프로그램 실행 중 생성되는 인스턴스는 모두 이곳에 생성된다. 즉, 인스턴스 변수(instance variable)들이 생성되는 공간이다.

 

 

3. 호출스택(call stack or execution stack)

: 호출스택은 메서드의 작업에 필요한 메모리 공간을 제공한다. 메서드가 호출되면, 호출스택에 호출된 메서드를 위한 메모리가 할당되며, 이 메모리는 메서드가 작업을 수행하는 동안 지역변수(매개변수 포함)들과 연산의 중간결과 등을 저장하는데 사용된다. 그리고 메서드가 작업을 마치면 할당되었던 메모리공간은 반환되어 지워진다.

 

※ 호출스택의 특징

1. 메서드가 호출되면 수행에 필요한 만큼의 메모리를 스택에 할당받는다.
2. 메서드가 수행을 마치고나면 사용했던 메모리를 반환하고 스택에서 제거된다.
3. 호출스택의 제일 위에 있는 메서드가 현재 실행 중인 메서드이다.
4. 아래에 있는 메서드가 바로 위의 메서드를 호출한 메서드이다.

 

재귀호출(recursive call)에서 기저사례를 명시하지 않고 계속해서 재귀호출만 일어난다면 메서드가 종료되지 않으므로 스택에 계속 데이터가 쌓여만 간다. 어느 시점에 이르러서는 결국 스택의 저장한계를 넘게 되고, '스택 오버플로우 에러(Stack Overflow Error)'가 발생한다.

 

 

 

 

 

 

▶ 클래스 메서드(static메서드)와 인스턴스 메서드

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변수에서 그랬던 것과 같이, 메서드 앞에 static이 붙어 있으면 클래스메서드이고 붙어 있지 않으면 인스턴스 메서드이다.

클래스를 정의할 때, 어느 경우에 static을 사용해서 클래스 메서드로 정의해야하는 것일까?

클래스는 '데이터(변수)와 데이터에 관련된 메서드의 집합'이므로, 같은 클래스 내에 있는 메서드와 멤버변수는 아주 밀접한 관계가 있다.

 

인스턴스 메서드는 인스턴스 변수와 관련된 작업을 하는, 즉 메서드의 작업을 수행하는데 인스턴스 변수를 필요로 하는 메서드이다. 그런데 인스턴스 변수는 인스턴스(객체)를 생성해야만 만들어지므로 인스턴스 메서드 역시 인스턴스를 생성해야만 호출할 수 있는 것이다.

 

반면에 메서드 중에서 인스턴스와 관계 없는(인스턴스 변수나 인스턴스 메서드를 사용하지 않는) 메서드를 클래스 메서드(static 메서드)로 정의한다. 

 

 

1. 클래스를 설계할 때, 멤버변수 중 모든 인스턴스에 공통으로 사용하는 것에 static을 붙인다.

 

2. 클래스 변수(static변수)는 인스턴스를 생성하지 않아도 사용할 수 있다.

 

3. 클래스 메서드(static메서드)는 인스턴스 변수를 사용할 수 없다.

- 인스턴스 변수는 인스턴스가 반드시 존재해야만 사용할 수 있는데, 클래스메서드(static이 붙은 메서드)는 인스턴스 생성 없이 호출가능하므로 클래스 메서드가 호출되었을 때 인스턴스가 존재하지 않을 수도 있다. 그래서 클래스 메서드에서 인스턴스변수의 사용을 금지한다.

반면에 인스턴스변수나 인스턴스메서드에서는 static이 붙은 멤버들을 사용하는 것이 언제나 가능하다. 인스턴스 변수가 존재한다는 것은 static변수가 이미 메모리에 존재한다는 것을 의미하기 때문이다.

 

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