Java ‐ 자바 특징과 객체 지향 원칙 - dnwls16071/Backend_Summary GitHub Wiki

📚 자바 개요

자바의 특징

객체지향 프로그래밍 언어 - 클래스와 객체를 기반으로 설계되며, 추상화, 캡슐화, 상속, 다형성을 지원
플랫폼 독립성 - 자바 코드는 JVM 위에서 실행되므로 OS에 관계없이 동작
자동 메모리 관리 - 개발자 메모리를 해제하지 않아도 JVM이 자동으로 불필요한 객체를 분리
멀티쓰레딩 지원 - 여러 작업을 동시에 실행할 수 있는 멀티 쓰레딩 기능을 제공

📚 SOLID 원칙⭐

SRP

// ❌ SRP 위반 예시
public class Computer {
    public void startComputer() {
        System.out.println("부팅 중...");
        checkHardware();
        loadOS();
        connectNetwork();
        System.out.println("컴퓨터 준비 완료");
    }
  
    private void checkHardware() {
        System.out.println("하드웨어 점검");
    }
 
    private void loadOS() {
        System.out.println("운영체제 로딩");
    }
 
    private void connectNetwork() {
        System.out.println("네트워크 연결");
    }
}

// ✅ SRP 준수한 리팩토링
class Hardware {
    void check() {
        System.out.println("하드웨어 점검");
    }
}

class OS {
    void load() {
        System.out.println("운영체제 로딩");
    }
}

class Network {
    void connect() {
        System.out.println("네트워크 연결");
    }
}

public class Computer {
    private final Hardware hardware = new Hardware();
    private final OS os = new OS();
    private final Network network = new Network();
 
    public void startComputer() {
        hardware.check();
        os.load();
        network.connect();
    }
}

OCP

// ❌ OCP 위반 예시
public class NotificationService {
    public void send(String type, String message) {
        if (type.equals("email")) {
            System.out.println("이메일 전송: " + message);
        } else if (type.equals("sms")) {
            System.out.println("문자 전송: " + message);
        }
    }
}

// ✅ OCP 준수 리팩토링
interface Notifier {
    void send(String message);
}

class EmailNotifier implements Notifier {
    public void send(String message) {
        System.out.println("이메일 전송: " + message);
    }
}

class SmsNotifier implements Notifier {
    public void send(String message) {
        System.out.println("문자 전송: " + message);
    }
}

public class NotificationService {
    public void notify(Notifier notifier, String message) {
        notifier.send(message);
    }
}

ISP

// ❌ ISP 위반 예시
interface Machine {
    void print();
    void scan();
    void fax();
}

class BasicPrinter implements Machine {
    public void print() {
       System.out.println("문서 출력");
    }
 
    public void scan() {
        throw new UnsupportedOperationException("스캔 지원 안함");
    }
 
    public void fax() {
        throw new UnsupportedOperationException("팩스 지원 안함");
    }
}

// ✅ ISP 준수 리팩토링
interface Printable {
    void print();
}

interface Scannable {
    void scan();
}

interface Faxable {
    void fax();
}

class BasicPrinter implements Printable {
    public void print() {
        System.out.println("문서 출력");
    }
}

class MultiFunctionPrinter implements Printable, Scannable, Faxable {
    public void print() {
        System.out.println("문서 출력");
    }
 
    public void scan() {
        System.out.println("문서 스캔");
    }

    public void fax() {
        System.out.println("문서 팩스 전송");
    }
}

DIP

// ❌ DIP 위반 예시
class MySQLDatabase {
    public void connect() {
        System.out.println("MySQL에 연결");
    }
}

class DataService {
    private final MySQLDatabase database;
    
    public DataService() {
        this.database = new MySQLDatabase();
    }
 
    public void use() {
        database.connect();
    }
}

// ✅ DIP 준수 리팩토링
interface Database {
    void connect();
}

class MySQLDatabase implements Database {
    public void connect() {
        System.out.println("MySQL에 연결");
    }
}

class DataService {
    private final Database database;
    
    public DataService(Database database) {
        this.database = database;
    }

    public void use() {
        database.connect();
    }
}

LSP

// ❌ LSP 위반 예시
class Bird {
    public void fly() {
        System.out.println("날아갑니다");
    }
}

class Ostrich extends Bird {
    @Override
    public void fly() {
        throw new UnsupportedOperationException("타조는 날 수 없습니다");
    }
}

public class Zoo {
    public void makeBirdFly(Bird bird) {
        bird.fly();
    }
}

Zoo zoo = new Zoo();
zoo.makeBirdFly(new Ostrich()); // 예외 발생 → LSP 위반

// ✅ LSP 준수 리팩토링
interface Flyable {
    void fly();
}

class FlyingBird implements Flyable {
    public void fly() {
       System.out.println("날아갑니다");
    }
}

// 이제 날 수 있는 새만 fly()를 갖고, 타조는 분리됨
class Ostrich {
    public void run() {
        System.out.println("달립니다");
    }
}

public class Zoo {
    public void makeFly(Flyable bird) {
        bird.fly();
    }
}

📚 JVM 자바 가상머신 구조⭐⭐

JVM(Java Virtual Machine)은 자바 프로그램을 실행하기 위한 가상 머신
자바 코드를 바이트 코드로 변환하여 실행하는 역할을 담당
운영체제와 독립적으로 동작하며 어떤 OS에서도 실행 가능

JVM의 구성 요소

클래스 로더(Class Loader)
런타임 데이터 영역(Runtime Data Area)
실행 엔진(Execution Engine)
가비지 컬렉터(Garbage Collector)

1. 클래스 로더(Class Loader)

바이트 코드를 메모리에 로드하는 역할
클래스 로딩 과정 : 로딩(Loading) - 링크(Linking) - 초기화(Initialization)
- 로딩 : 바이트 코드를 메모리에 적재하는 단계
- 링크 : 로드된 클래스의 코드와 데이터를 사용할 수 있도록 준비
- 초기화 : static 변수에 초기값을 할당하고 static 블록을 실행

2. 런타임 데이터 영역(Runtime Data Area)

JVM이 실행 중 사용하는 메모리 영역
- Heap : 객체와 인스턴스 변수 저장
- Stack : 메서드 호출 시 생성되는 메서드 정보와 지역변수 저장
- Method Area : 클래스 정보, static 변수 저장
- PC Register : 현재 실행 중인 명령어 주소 저장
- Native Method Stack : 네이티브 코드 실행 시 사용

3. 실행 엔진(Execution Engine)

JVM이 바이트 코드를 실제 실행하는 역할
- 인터프리터(Interpreter)
  - 바이트 코드를 한줄씩 읽고 실행
  - 컴파일 과정이 없어 빠르게 시작 가능
  - 같은 코드가 반복 실행될 때마다 다시 해석
- JIT 컴파일러
  - 반복 실행되는 바이트 코드를 기계어로 변환해 캐싱
  - 인터프리터보다 빠르게 실행
  - 한 번 변환된 코드는 다시 변환되지 않고 바로 실행 가능
  - 처음 실행 시 컴파일 시간이 추가됨

4. 가비지 컬렉터(Garbage Collector)

가비지 컬렉터(Garbage Collector)
- 사용하지 않는 객체를 자동으로 메모리에서 정리
- 메모리 누수를 방지하고 효율적인 메모리 관리를 수행

📚 GC 동작 원리⭐⭐

가비지 컬렉션(Garbage Collection, GC)

JVM이 필요하지 않은 객체를 자동으로 제거해 메모리를 관리하는 기능
프로그래머가 직접 메모리 해제를 하지 않아도 되도록 함
힙 영역(객체와 인스턴스 변수가 저장되는 곳)에 존재하는 객체 중 더 이상 참조되지 않은 객체를 정리 대상으로 판단한다.
- 힙 영역에 있는 객체들은 언제까지 필요한지 예측하기 어렵다.
- 반면, 스택에 있는 변수들은 메서드가 끝나면 자동으로 사라짐(수명 명확)
GC 대상 판단 기준
- GC는 루트 객체에서 시작해 참조 가능한 객체를 따라가며 도달할 수 없는 객체만을 가비지로 간주하고 제거함
- 루트 객체의 예시
  - 쓰레드 스택에 있는 지역 변수(메서드 내부 변수, 매개변수)
  - Method Area에 있는 static 변수
  - Native Method Stack에서 참조 중인 객체

GC 동작 구분
- Stop-the-World
  - GC가 실행될 때 JVM이 애플리케이션 실행을 멈추는 현상
  - 모든 실행 중인 쓰레드가 중단되며 GC가 완료될 때까지 기다려야 한다.
- Mark and Sweep
  - GC의 기본 동작 방식으로 객체를 식별하고 제거하는 과정
GC의 기본 동작 과정
- 객체 생성
  - new 키워드로 객체를 생성하면 Heap 영역에 저장된다.
  - 생성된 객체는 Young Generation의 Eden 영역에 위치
- 객체 생존 여부 확인
  - GC가 실행되면 사용 중 객체와 사용되지 않는 객체를 구분한다.
  - 참조가 없는 객체는 GC 대상으로 표시된다.
- 사용되지 않는 객체 제거
  - 참조되지 않는 객체를 Heap에서 제거해 메모리 회수
- 제거 후 남은 객체를 압축해 메모리 단편화를 방지

📚 가비지 컬렉터(Garbage Collector)⭐⭐

힙 메모리 내 객체 생존 흐름

Eden 영역에서 객체를 생성
- 자바 애플리케이션에서 new 키워드로 객체를 생성하면 대부분 Eden 영역에 생성된다.
- Eden은 Young Generation에 속한다.
Minor GC 발생
- Eden 영역이 꽉 차면 Minor GC가 발생
- GC는 살아있는 객체만을 Survivor 영역으로 복사
- 살아남은 객체들은 Survivor 영역으로 이동하고 죽은 객체는 제거됨
Survivor ↔ Survivor
- 이후 다시 Eden 영역에 객체가 쌓이고 또 Minor GC가 발생하면 Survivor 영역에 있던 객체들은 다른 Survivor 영역으로 복사됨
- 복사될 때마다 age값(생존 횟수)이 증가한다.
Old Generation으로 Promotion
- age값이 특정 임계값 이상이 되면 더 이상 Young Generation에 두지 않고 Old Generation으로 승격된다.
- Old 영역은 Major GC의 대상이 된다.

❗Minor GC란?

Young Generation에서 발생하는 GC

빠르게 실행되며 Stop-the-World 시간이 짧다.

❗Major GC란?

Old Generation에서 발생하는 GC

힙 영역 전체를 검사하기 때문에 실행 시간이 길고 Stop-the-World 시간이 길어 성능에 영향을 준다.

GC 튜닝을 통해 Major GC 발생을 최소화하는 것이 중요하다.

📚 GC 알고리즘

GC는 상황에 따라 다른 알고리즘을 사용한다.
주요 GC 알고리즘 정리

GC 종류	특징	STW 시간	사용 예시
Serial GC	단일 쓰레드, 간단	길다	작은 애플리케이션
Parallel GC	멀티 쓰레드, Throughput 높다	중간	서버, 배치 등
CMS	사용자 지연 최소화	낮다	GUI 앱
G1 GC	병렬 + 병합, Region 단위 관리	중간~낮다	대부분의 앱
ZGC / Shenandoah	초저지연 GC	매우 짧다	대규모 시스템