[JAVA] JVM, JVM 메모리, 객체, 인스턴스, 오버라이딩, 오버로딩, 추상화

자바 가상 머신(Java Virtual Machine, JVM)은 자바 프로그램을 실행하는 소프트웨어 환경이다. 자바 코드는 바로 실행되는 게 아니라 바이트코드(.class 파일)로 변환되고, 이 바이트코드를 실행하는 역할을 하는 게 JVM이다.

 

 JVM의 주요 역할

• 바이트코드 실행: 자바 컴파일러가 변환한 바이트코드를 해석하고 실행한다.
• 플랫폼 독립성 제공: 한 번 컴파일된 자바 프로그램은 운영 체제와 상관없이 실행 가능하다. ("Write Once, Run Anywhere")
• 메모리 관리: 가비지 컬렉터(GC)를 통해 불필요한 객체를 자동으로 정리한다.
• 런타임 환경 제공: 스택, 힙, 메서드 영역 등을 관리하면서 프로그램 실행을 돕는다.

 

 JVM 실행 과정

1. 소스 코드(.java) 작성
2. 컴파일(javac) → 바이트코드(.class) 생성
3. JVM이 바이트코드 실행(인터프리터 + JIT 컴파일러 사용

 

JVM의 주요 구성 요소

• 클래스 로더(Class Loader): 바이트코드를 JVM 내부로 로드
• 실행 엔진(Execution Engine): 바이트코드를 실행 (인터프리터 + JIT 컴파일러)
• 메모리 영역(Runtime Data Area): 힙(Heap), 스택(Stack), 메서드(Method) 영역 등
• 가비지 컬렉터(GC): 사용하지 않는 메모리 자동 정리

 

즉, JVM 덕분에 자바 프로그램이 운영 체제에 관계없이 실행될 수 있고, 자동 메모리 관리 기능(GC) 덕분에 개발자가 직접 메모리를 해제하지 않아도 된다.

 

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JVM 메모리 영역은 프로그램 실행 중 데이터를 저장하고 관리하는 공간이다. 크게 힙(Heap), 스택(Stack), 메서드(Method) 영역으로 나뉘며, 각 영역은 서로 다른 데이터를 저장하고 관리하는 역할을 한다.

 

JVM 메모리 구조

1. 메서드(Method) 영역 (또는 클래스(Class) 영역)
   • 클래스 메타데이터(클래스 정보, 필드, 메서드, 인터페이스 등)를 저장
   • 상수 풀: 상수 및 리터럴 저장
   • 정적(static) 변수 및 메서드 코드(바이트코드) 저장
   • JVM이 시작될 때 할당되며, 프로그램 종료 시 해제됨
2. 힙(Heap) 영역
   • 객체, 배열이 저장되는 공간
   • GC(가비지 컬렉터)가 관리하여 더 이상 사용되지 않는 객체를 정리
   • 크기가 크고 비교적 속도가 느림
   • 영역 구분 (JVM 구현에 따라 다를 수 있음)
     • Young Generation (Eden, Survivor Space): 새롭게 생성된 객체가 저장됨
     • Old Generation (Tenured Generation): 오래된 객체가 저장됨
     • Permanent Generation (JDK 8 이후 Metaspace): 클래스 메타데이터 저장
3. 스택(Stack) 영역
   • 메서드 호출 시 생성되는 지역 변수, 매개변수(Parameter), 연산 중간값을 저장
   • 메서드가 호출될 때 스택 프레임이 생성되고, 메서드 종료 시 제거됨 (LIFO 구조)
   • 각 스레드마다 별도의 스택을 가짐 (스레드별 독립적인 공간)
   • 기본 자료형(int, double 등)과 참조 변수(reference)가 저장됨 (객체 자체는 힙에 저장)

 

public class MemoryExample {
    static int staticVar = 100; // 메서드 영역에 저장

    public static void main(String[] args) { // 스택에 main() 프레임 생성
        int localVar = 10; // 스택 영역에 저장
        MyClass obj = new MyClass(); // obj는 스택에, 객체는 힙에 저장
        obj.display();
    }
}

class MyClass {
    int instanceVar = 20; // 힙 영역에 저장
}

• staticVar: 메서드 영역에 저장
• localVar: main() 메서드의 스택 프레임에 저장
• obj: 스택에 참조 변수로 저장, 실제 객체는 힙에 저장
• instanceVar: 힙 영역에 객체와 함께 저장

 

메모리 영역	저장되는 데이터	특징
메서드 영역	클래스 정보, static 변수, 상수, 메서드 코드	JVM 시작 시 생성, 공유됨
힙 영역	객체, 배열	GC 관리, 속도가 상대적으로 느림
스택 영역	지역 변수, 매개변수, 메서드 호출 정보	스레드별 할당, 메서드 종료 시 해제

 

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클래스

클래스(class)란 객체(object)를 만들어 내기 위한 틀이며 만들어 낼 객체의 속성과 메서드의 집합을 담아놓은 것

 

 

객체

객체란 클래스로부터 만들어지는 실체, 클래스로 선언된 변수를 객체라 한다.

 

 

인스턴스

인스턴스(instance)란 객체가 메모리에 할당이 된 상태이며 런타임에 구동되는 객체를 말합니다. 객체와 같은 의미로 쓰이기도 합니다.

 

 

static

static 키워드는 클래스의 인스턴스가 아닌 클래스에 속하며 클래스의 변수, 메서드 등을 공유하는데 사용됩니다.

 

• static 장점
  • 클래스로 만들어지는 객체사이에서 중복되는 메서드, 속성을 효율적으로 정의할 때 쓰이며 단순히 전역변수가 아니라 클래스내의 static 키워드로 선언하여 이 클래스의 객체들끼리 사용되는 메서드 또는 속성이다. 라는 것을 나타내주는 명시성이라는 장점이 있습니다.

• static 단점
  • static 키워드로 선언된 변수, 블록, 메서드 등은 선언과 동시에 미리 heap영역이 아닌 Method area 메모리 영역에 할당이 되며 프로그램이 종료 될 때까지 GC에 의해 메모리가 회수되지 않기 때문에 만약 클래스가 객체로 쓰이지 않는다면 메모리 낭비를 불러올 수 있습니다.

 

오버로딩(Overloading)

오버로딩은 이름이 같아도 매개변수 개수, 타입, 순서를 다르게 해서 같은 이름으로도 여러 개의 함수를 정의할 수 있는 것을 말합니다. 이는 프로그램의 유연성을 높이고 결과적으로 코드를 깔끔하게 하는 효과가 있으며 같은 클래스 내에서 사용합니다.

 

 

오버라이딩(Overriding)

상위 클래스가 가지고 있는 메서드를 하위 클래스가 재정의를 하는 것을 말합니다. 상속 관계 클래스에서 사용되며 static, final 로 선언한 메서드는 오버라이딩이 불가능합니다.

 

 

추상화

프로그래밍에서의 추상화는 복잡한 데이터, 구조, 시스템 등으로부터 핵심만을 가려내 덜 자세하게 만드는 것 또는 세부사항, 절차 등을 감추고 인터페이스 등을 만드는 것으로 복잡도를 낮추는 방법을 말합니다.
추상화는 데이터, 프로세스 추상화 크게 2가지로 나눠집니다.

 

• 데이터 추상화
  • 어떠한 데이터들의 공통점을 모으고 차이점은 버립니다. 예를 들어 고양이, 강아지, 원숭이 등의 객체들의 공통적인 특징을 묶어 동물이라는 카테고리로 카테고리화 시킵니다.
•  프로세스 추상화
  •  어떠한 내부 프로세스를 숨기는 것을 말합니다. 예를 들어 데이터베이스가 어떻게 데이터를 저장하는지는 모르지만 단순하게 insert, upsert 등의 쿼리로 데이터를 저장할 수 있습니다.
  • ex) MySQL 아키텍처
    • 코드뿐만 아니라 실제 시스템에서도 추상화는 이뤄져있습니다. 대표적인 예로 데이터베이스 시스템이 있습니다. 데이터베이스 내의 내부프로세스와는 상관없이 “쿼리”를 통해 접근할 수 있습니다.

 

컴파일러

• 전체 변환: 소스 코드의 전체를 읽어 한 번에 기계어로 변환합니다. 변환과정을거친 후, 생성된 기계어 코드를 실행합니다.
• 속도: 컴파일 과정 자체는 시간이 걸리지만, 변환된 코드는 직접 실행되므로 실행 시간은 빠릅니다.
• 사용 예: C, C++, Go, Rust 등의 언어가 컴파일러를 사용합니다.
• 코드를 수정했을 때 컴파일과정이 필요합니다.
• ex) C++ 실습

컴파일과정
고수준의 소스코드를 전처리, 컴파일러, 어셈블러, 링커의 과정을 거쳐 저수준언어로 만들고 실행할 수 있는 프로그램을 만드는 과정

 

 

인터프리터

• 한줄씩변환 : 소스코드를 한줄씩 읽어가며 바로 기계어로 변환하고 실행합니다.
• 속도: 컴파일 단계가 없으므로 초기 시작은 빠르지만, 전체 코드 실행 시간은 컴파일러를 사용할 때보다 느릴 수 있습니다. 코드를 실행할 때마다 변환 과정을 거치기 때문입니다.
• 사용 예: Python이 대표적으로 인터프리터 방식을 사용합니다.
• 코드를 수정했을 때 컴파일과정이 필요하지 않습니다.
  • ex) Python 실습

 

 

 

컴파일러와 인터프리터의 공통점

모두 고수준의 언어를 기계어로 변환한다는 공통점이 있습니다.

[참고] 기계어
기계어 코드(Machine Code)는 컴퓨터 프로세서가 직접 이해하고 실행할 수 있는, 가장 기본적인 형태의 명령어 집합입니다. 이러한 코드는 0과 1, 즉 이진수(binary)로 표현되며, 컴퓨터의 중앙 처리 장치(CPU)가 직접 실행할 수 있는 유일한 언어이자 가장 낮은 수준의 언어이며 이는 기계어가 컴퓨터 하드웨어와 직접적으로 소통할 수 있는 언어를 의미합니다.

 

 

컴파일러와 인터프리터의 차이점

 

구분	컴파일러	인터프리터
번역 방식	전체 코드 번역 후 실행	한 줄씩 번역하면서 실행
실행 속도	빠름 (미리 번역)	느림 (실행할 때 번역)
오류 검출	전체 코드 확인 후 오류 출력	실행 도중 오류 발생 시 즉시 중단
예시 언어	C, C++, Java	Python, JavaScript

 

 

JIT 컴파일러

JIT 컴파일러는 인터프리터와 컴파일러의 중간 형태라고 볼 수 있습니다.

1. 코드 분석: 실행 시점에 프로그램 코드를 분석하여, 어떤 부분이 가장 자주 실행되는지(hot spot) 판단합니다.(즉, 실행전 코드를 분석하지 않습니다.)
2. 동적 컴파일: 분석 결과에 기반하여, 자주 실행되는 코드(hot spot)만을 선별적으로 기계어로 변환합니다. 이 과정은 프로그램 실행 중에 실시간으로 이루어집니다.
3. 최적화: 컴파일 과정에서 다양한 최적화 기법을 적용합니다. (ex. 메모리 접근 패턴을 분석, 가비지 컬렉션의 오버헤드 최소화 등)
4. 실행: 컴파일된 기계어 코드를 실행합니다. 프로그램이 계속 실행되면서 새로운 핫 스팟이 발견되면, 해당 부분도 JIT 컴파일을 통해 최적화됩니다.
   • ex) JVM(자바가상머신), .NET, V8(node.js 엔진)

• 장점
  • 자주 사용되는 코드(hot code)의 실행 속도가 크게 향상됩니다.
• 단점
  • 컴파일 된 코드를 메모리에 저장해 캐싱하기 때문에 인터프리터 방식에 비해 더 많은 메모리를 소비한다는 단점이 있습니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

[참고] 

https://www.inflearn.com/course/개발자-면접-cs-특강

CS 지식의 정석 | 디자인패턴 네트워크 운영체제 데이터베이스 자료구조 | 큰돌 - 인프런