[JAVA] 변수와 메서드

1. 변수의 종류

 

변수는 클래스 변수, 인스턴스 변수, 지역변수 모두 세 종류가 있다.

변수의 종류를 결정짓는 중요한 요소는 '변수가 선언된 위치'이므로 변수가 어느 영역에 선언되었는지를 확인하는 것이 중요하다. 멤버변수를 제외한 나머지 변수들은 모두 지역변수이며, 멤버변수 중 static이 붙은 것은 클래스 변수, 붙지 않은 것은 인스턴스 변수이다.

 

다음 코드에서 각 변수들의 위치와 종류를 확인할 수 있다.

 

class Temp {
  // 클래스 영역
  int instanceVar; // 인스턴스 변수
  static int classVar; // 클래스 변수 (static 변수, 공유변수)

  void method() {
    // 메서드 영역
    int localVar; // 지역 변수
  }
}

 

변수의 종류	선언위치	생성시기
클래스 변수 (class variable)	클래스 영역	클래스가 메모리에 올라갈 때
인스턴스 변수 (instance variable)	클래스 영역	인스턴스가 생성되었을때
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.

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

 

2) 클래스 변수 (class variable)

 

클래스 영역 내에서 static을 붙여 선언한 변수이다.

인스턴스마다 독립적인 저장공간을 갖는 인스턴스 변수와 달리 클래스 변수는 모든 인스턴스가 공통된 저장공간을 공유한다. 한 클래스에서 생성된 인스턴스들은 모두 같은 값의 클래스 변수를 공유하기 때문에 공통적으로 유지해야 하는 속성의 경우 클래스 변수로 선언해야 한다.

 

클래스 변수는 인스턴스 변수와 달리 인스턴스를 생성하지 않아도 사용할 수 있다. '클래스이름.클래스변수' 와 같은 형식으로 사용한다.

 

3) 지역 변수 (local variable)

 

메서드 또는 for문이나 if문과 같이 블럭으로 지정된 영역 내에 선언되어 해당 영역 내에서만 사용 가능하다. 메서드가 종료되거나 해당 블럭에서 탈출하면 지역변수도 함께 소멸되어 사용할 수 없게 된다.

 

 

2. 클래스 변수와 인스턴스 변수

 

클래스 변수와 인스턴스 변수는 모두 클래스 영역 내에 선언되지만, 선언시에 static 유무에 따라 구분된다.

static이 붙은 경우는 static 변수, 클래스 변수라고 불리며 클래스에 종속되어서 클래스가 메모리에 올라갈 때 생성된다. 이렇게 생성된 공간은 해당 클래스를 통해 생성된 모든 인스턴스들이 공유한다.

반면에 인스턴스 변수는 클래스가 아닌 각 인스턴스에 종속되어서 인스턴스를 생성할 때마다 새로운 메모리를 할당받게 되고 서로가 각기 다른 값을 가질 수 있게 된다.

 

 

3. 메서드

 

메서드는 특정 작업을 수행하는 일련의 문장들을 하나로 묶은 것이다. 간단하게 클래스에 필요한 기능을 함수로 구현해놓은 것이다.

메서드를 사용하기 위해서는 메서드에 들어가는 입력값만 알면 된다. 해당 메서드의 입력에 필요한 값을 넣는 경우 우리가 원하는 결과를 얻을 수 있다. 메서드의 내부 로직을 알 필요 없이 입력값과 어떤 기능을 하는지만 알면 되기때문에 내부가 보이지 않는 블랙박스라고도 한다.

 

- 메서드의 장점

 

1) 재사용성 (Reusability)

 

자바에서 기본적으로 제공해주는 API들과 같이 자주 사용하는 기능들을 메서드로 만들어 놓으면 매번 구현할 필요없이 간단하게 호출하여 사용할 수 있다.

 

2) 중복된 코드 제거

 

프로그램 작성 시에 중복해서 사용되는 로직들이 있는 경우 이를 메서드로 만들어서 사용할 수 있다. 이렇게 되면굳이 매번 구현할 필요 없이 메서드를 호출하면 되기 때문에 코드의 중복을 줄일 수 있다. 또한 변경사항이 발생 시에 모든 로직을 수정하는 것이 아니라 메서드만 수정하면 되기 때문에 코드 관리에서도 편리하다.

 

3) 프로그램의 구조화

 

main 메서드 안에 모든 로직들이 들어가는 것이 아니라 메서드로 구현한 후 이를 호출하는 방식으로 사용하여 프로그램의 구조를 단순화할 수 있다.

 

 

4. 메서드의 선언과 구현

 

메서드는 크게 선언부 (head)와 구현부 (body)로 이루어져 있다. 메서드를 정의한다는 것은 선언부와 구현부를 작성한다는 것을 의미하며 다음과 같은 구조가 된다.

 

int method(int param1, int param2) // 선언부
{
	return param1 + param2; // 구현부
}

 

 

- 메서드 선언부 (method declaration, method header)

 

메서드 선언부는 메서드의 이름과 매개변수 선언, 그리고 반환타입으로 구성되어 있으며, 메서드가 작업을 수행하기 위해 어떤 값들을 필요로 하고 작업의 결과로 어떤 타입의 값을 반환하는지에 대한 정보를 제공한다.

 

int method(int param1, int param2)
/*
- int: 반환 타입
메서드의 작업 수행 결과인 return 값의 타입이다. 반환값이 없는 경우 void를 반환 타입으로 준다.

- method: 메서드 이름

- (int param1, int param2): 매개변수
매개변수는 매서드가 작업을 수행하는데 필요한 값들을 입력받기 위한 것이다. 필요한 값들을 쉼표로 구분하여 괄호 안에 선언해준다.
*/

 

 

- 메서드 구현부 (method body)

 

메서드 구현부는 메서드의 선언부 다음에 오는 중괄호 블럭을 의미한다. 해당 영역에는 메서드의 기능이 구현되어있다.

 

메서드의 반환타입이 void가 아닌 경우에는 구현부는 return문을 포함해야한다. return문은 메서드의 결과를 반환하는 곳으로 반환타입과 일치하거나 적어도 자동 형변환이 되는 값이 포함된다.

 

'return 반환값' 형식으로 구현되며, 반환값으로는 단 하나의 값만 반환할 수 있다.

 

메서드 내부에 선언된 변수들은 지역변수(local variable)로 해당 메서드 내부에서만 사용할 수 있는 변수들이다.

 

 

5. 메서드의 호출

 

메서드를 사용하기 위해서는 메서드의 이름을 호출해야 한다.

 

method(p1, p2, ...) // 메서드 호출
// 메서드의 이름과 선언부의 매개변수 형식에 맞게 입력값을 주어 메서드를 호출한다.

 

 

- argument와 parameter

 

메서드를 호출할 때 괄호안에 지정해준 값들을 인자, argument라고 한다. 인자의 개수와 순서는 해당 메서드의 선언부에 선언된 매개변수, parameter와 일치해야 한다. 메서드 호출 시에 지정해준 인자들을 메서드 호출 시에 매개변수에 대입되므로 인자의 타입은 매개변수의 타입과 일치하거나 자동 형변환이 가능한 것이어야 한다. 만일 다른 타입이나 매개변수의 개수와 다르게 인자들을 지정해주는 경우 에러가 발생한다.

 

- 메서드의 실행 흐름

 

class CustomMath {
  long add(long a, long b) {
    return a + b;
  }
}

// ...

CustomMath math = new CustomMath(); // CustomMath 인스턴스 생성
long result = math.add(1L, 2L); // add 메서드 호출

 

위의 예제 코드는 CustomMath 클래스의 인스턴스를 생성하고 add 메서드를 호출한 예제이다. 위의 예제를 실행하면 실행 순서는 다음과 같다.

 

1) 지금까지 실행 중이던 메서드의 실행을 잠시 멈추고 메서드 add를 호출한다. 인자로 주어진 1L과 2L이 add 메서드의 a와 b에 대입된다.

2) 메서드 add의 구현부의 내용이 수행된다.

3) 메서드 add의 모든 문장이 수행되거나 return 문을 만나면 다시 실행 중이던 메서드로 돌아간다.

 

위의 예제의 경우 add 메서드가 수행되어 그 결과인 3L이 result에 저장된다. 이후의 기존 메서드에서의 작업을 이어서 수행하게 된다.

 

 

6. return문

 

메서드 실행 중 return문을 만나게 되면 현재 실행중인 메서드를 종료하고 호출한 메서드로 되돌아간다.

앞에서는 반환값이 있는 경우에만 return 문을 사용하였지만 원래는 반환값이 없는 경우에도 return문이 있어야 한다. 그러나 void 타입의 경우 return문을 명시적으로 작성하지 않아도 컴파일러가 메서드 마지막에 return ; 을 자동적으로 추가해주기 때문에 return문을 작성하지 않아도 된다.

반환타입이 void가 아닌 경우에는 반드시 return문을 작성해주어야 하는데, 만약 return문이 없는 경우 컴파일 에러가발생한다.

 

int method1(int a, int b) {
  int result = a + b;
  // return문이 없기 때문에 에러 발생
}

int method2(int a, int b) {
  if(a < b) return b;
  // if문의 결과에 따라 return문이 수행되지 않을 수 있기 때문에 에러 발생
}

 

 

- 매개변수의 유효성 검사

 

메서드의 구현부 작성시 주의해야할 점은 바로 매개변수 값이 적절한 것인지 확인하는 것이다. 메서드의 구현부의로직에서 예외사항을 발생할 수 있는 값이 매개변수로 주어진다면 에러가 발생하기 때문에 이에 대해서 예외처리를 해주어야 한다.

 

float divide(int x, int y) {
  if(y == 0) return 0; // 0으로 나누는 경우는 에러가 발생하기 때문에 이에 대한 예외처리를 해준다.
  return x / (float) y; // y를 float으로 형변환 하여 수식 결과 값이 메서드의 반환 타입인 float로 자동 형변환 되도록 한다.
}

 

 

7. JVM의 메모리 구조

 

응용프로그램이 실행되면 JVM은 시스템으로부터 프로그램을 수행하는데 필요한 메모리를 할당받고 JVM은 이 메모리를 용도에 따라 여러 영역으로 나누어 관리한다.

 

JVM의 주요 영억은 method area, call stack, heap, 이렇게 3가지가 있다.

 

- method area (메서드 영역)

 

프로그램 실행 중 어떤 클래스가 사용되면, JVM은 해당 클래스의 클래스 파일을 읽어서 분석하여 클래스에대한 정보 (클래스 데이터)를 메서드 영역에 저장한다. 이 때 그 클래스의 클래스 변수도 이 영역에 함께 생성된다.

 

- call stack (execution stack, 호출 스택)

 

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 메모리 공간은 반환되어비워진다.

 

- heap (힙)

 

인스턴스가 생성되는 공간으로 프로그램 실행 중 생성되는 인스턴스가 모두 이 곳에 생성된다. 즉 인스턴스변수들이 생성되는 공간이다.

 

각 메서드를 위한 메모리상 작업공간은 서로 구별되며, 첫번째로 호출된 메서드를 위한 작업 공간이 호출 스택의 맨밑에 할당되고 이어서 호출되는 메서드들이 그 위에 쌓이는 방식으로 메모리가 할당된다.

새로운 메서드가 호출되면 기존의 메서드 작업을 중단하고 새롭게 쌓인 메서드에 대해서 작업이 수행되고 해당 메서드의 작업이 완료되면 호출 스택에 할당된 메모리 공간이 제거되면서 다시 아래에 있는 메서드의 작업으로 돌아간다.

 

반환타입이 있는 메서드는 종료되면서 결과값을 자신을 호출한 메서드에게 반환한다.

 

 

8. 기본형 매개변수와 참조형 매개변수

 

메서드를 호출할 때 인자로 지정한 값은 메서드의 매개변수에 복사되어 메서드의 구현체로 넘어간다. 매개변수의타입이 기본형, primitive type일 때는 기본형 값이 복사되겠지만, 참조형, reference type인 경우에는 인스턴스의 주소가 복사된다.

 

메서드의 매개변수를 기본형으로 선언하면 단순히 저장된 값만 얻게 되지만 참조형으로 선언하면 저장된 곳의 주소를 알 수 있기 떄문에 값을 읽어 오는 것은 물론 값을 변경하는 것도 가능하다.

 

primitive type parameter - 변수의 값을 읽을 수만 있다.
reference type parameter - 변수의 값을 읽고 변경할 수 있다.

 

참조형 매개변수의 경우 해당 메서드 내부에서 값을 변경하는 경우 호출한 메서드에 있는 참조형 변수 (메서드 호출에서 인자로 주어진 값)에도 직접적인 영향이 간다는 의미이다.

 

void method1() {
  // ...

  String str = "Test";
  changeStr(str);
  System.out.println(str);
  // "str changed" 출력
}

void changeStr(String str) {
  str = "str changed";
}

 

 

9. 참조형 반환타입

 

매개변수뿐만 아니라 반환타입도 참조형이 될 수 있다. 반환타입이 참조형이라는 것은 반환하는 값의 타입이 참조형이라는 얘기인데, 모든 참조형 타입의 값은 객체의 주소이다.

 

 

10. 재귀호출 (recursive call)

 

메서드의 내부에서 메서드 자신을 다시 호출하는 것을 재귀호출 (recursive call)이라고 하고, 재귀호출을 하는 메서드를 '재귀 메서드'라고 한다.

 

void recursive() {
	recursive(); // 메서드 자신을 다시 호출한다.
}

 

위와 같이 한 메서드에서 자기 자신을 호출하게 되는 경우 호출된 메서는 call by value로 원래의 값이 아닌 복사된 값으로 작업하기 때문에 호출한 메서드와 관계없이 독립적인 작업 수행이 가능하다.

 

그런데 위의 예제 코드처럼 메서드 내부에 재귀 호출하는 부분만이 존재하는 경우 무한루프에 빠지게 된다. 그렇기때문에 보통 재귀호출에는 조건문으로 return 해주는 구문이 포함되어 있다.

 

void recursive(int value) {
  if(value == 10) return value;
  recursice(value + 1);
}

 

위의 예제는 value 값을 입력 받아서 10이 되면 재귀를 멈추는 메서드이다. 위와 같이 if문에서 특정한 조건이 되면더 이상 반복하지 않고 호출한 메서드로 돌아가게 된다.

 

재귀호출을 사용하는 이유는 논리적 간결함 때문이다. 여러겹으로 반복되는 로직을 작성하는 경우 코드가 복잡해지지만 이를 재귀호출로 변경하면 보다 간결해지는 경우가 많다. 다만 재귀호출을 하는 경우 매개변수 복사, 종료후 복귀할 주소 저장 등 새로운 메서드를 호출함에 들어가는 비용이 있기 때문에 성능의 면에서는 효율성이 떨어진다. 그렇기 때문에 반복문의 효율성과 재귀호출의 간결함을 비교하여 더 이득이 있는 부분을 선택하여야 한다.

 

/*
재귀호출의 대표적인 예인 팩토리얼 함수이다.
해당 함수를 실행하면 n부터 1까지 값들을 재귀를 통해서 호출하게 된다.
n이 1이 되면 1을 반환하여 이때까지 호출되었던 값들이 순차적으로 곱해져서 최종적으로 1부터 n까지 곱한 값을결과로 얻게 된다.
*/
int factorial(int n) {
  if(n == 1) return 1;
  return n * factorial(n - 1);
}

 

재귀함수를 작성할 때 주의해야할 점은 StackOverflow Error 이다. 재귀 함수를 호출하게 되면 앞서 메모리에 대해서설명했던 것처럼 호출 스택에 메서드 공간이 순차적으로 쌓이게 되는데, 할당받은 메모리가 스택의 저장 한계를 넘어가게 되면 에러가 발생한다.

그렇기 때문에 이러한 상황이 발생하지 않도록 메서드의 로직과 입력받는 매개변수에 대한 유효성 검사 등을 통해서 예외처리를 해주어야 한다.

 

 

11. 클래스 메서드 (static 메서드)와 인스턴스 메서드

 

클래스 메서드는 인스턴스 메서드에 static을 붙인 메서드이다. 객체를 생성하지 않고도 '클래스이름.메서드이름(매개변수)'의 형식으로 사용이 가능하다. 반면에 인스턴스 메서드는 객체를 생성해야 사용이 가능하다.

 

인스턴스와 관계없는 메서드를 클래스 메서드로 정의하는데, 클래스 필드와 인스턴스 필드에 대한 내용은 다음과같이 정리할 수 있다.

 

• 멤버 변수 중 모든 인스턴스에 공통적으로 사용해야 하는 것은 static을 붙인다.
  • 인스턴스는 각각의 메모리 공간이 독립적이기 때문에 모든 인스턴스가 공유해야 하는 값은 static을 붙여 클래스 변수로 만들어 공유하도록 한다.
• 클래스 변수 (static 변수)는 인스턴스를 생성하지 않아도 사용할 수 있다.
  • static이 붙은 변수는 클래스가 메모리에 올라갈 때 생성되기 때문에 인스턴스 생성 이전에도 사용이 가능하다.
• 클래스 메서드 (static 메서드)는 인스턴스 변수를 사용할 수 없다.
  • 인스턴스 변수는 인스턴스가 반드시 존재해야 사용할 수 있는데, 클래스 메서드는 그 전에 호출이 가능하기 때문에 인스턴스 변수를 사용하는 경우 메모리에 없는 값에 접근하는 문제가 발생한다. 그렇기 때문에 인스턴스 변수의 사용을 금지한다.
    
  • 인스턴스 메서드는 클래스 변수에 접근이 가능하다. 클래스 변수는 미리 메모리에 올라가 있기 때문에 이후에 생성된 인스턴스들은 해당 메모리에 접근이 가능하다.
• 메서드 내에세 인스턴스 변수를 사용하지 않는다면 static을 붙이는 것을 고려한다.
  • static을 붙이게 되는 경우 메서드 호출시간이 짧아져서 성능이 좋아진다. 인스턴스 메서드의 경우 실행 시 호출되어야할 메서드를 찾는 과정이 추가적으로 필요하기 때문에 시간이 더 걸린다.
    

 

 

12. 클래스 멤버와 인스턴스 멤버간의 참조와 호출

 

같은 클래스 내에서는 별도의 인스턴스 생성 없이도 멤버들 간의 참조 또는 호출이 가능하다. 단, 클래스 멤버가 인스턴스 멤버를 참조 또는 호출하고자 한다면 인스턴스를 생성해야 한다. 그 이유는 인스턴스 멤버가 존재하는 시점에 클래스 멤버는 항상 존재하지만, 클래스 멤버가 존재하는 시점에 인스턴스 멤버는 존재하지 않는 경우도 있기 때문이다.