이상근 | 자바 JVM, 리플렉션, 프록시, 어노테이션 강의 정리

강의 문서

개요

백기선 - 더 자바 코드를 조작하는 다양한 방법을 들으며 내용 정리

자바 환경 간단정리

JVM

자바 가상머신, 자바 바이트 코드(class)파일을 OS상에서 실행시킴.

class 파일을 메모리에 적재함.

OS에 특화된 코드로 변환하기 때문에 플랫폼에 종속적이다.

JVM 벤더(오라클, 아마존 ..)마다 구현이 다를 수 있음. 스펙은 오라클에서 지정한다.

JRE

java 애플리케이션을 실행시키기만 하는 환경

JVM, Library를 포함한다.

자바 11부터는 JRE만을 따로 제공하지는 않음. JDK를 받아야 한다.

JDK

java를 개발하기 위한 툴.

JRE를 포함하여 Javac(컴파일러) 등 개발에 필요한 환경들이 제공됨.

JAVA

프로그래밍 언어.

JDK에 들어있는 javac를 이용하여 바이트코드로 컴파일될 수 있다.

프로그래밍 언어일 뿐 JDK, JVM등을 뭉뚱그려 한꺼번에 자바라고 표현하는것은 잘못 표현하는 것일수 있음.

JVM 구조

Untitled

1. 클래스 로더 시스템

컴파일 되어있는 class파일들을 읽고 메모리에 적재
Link : 레퍼런스를 읽어오는 과정
static 값들을 초기화 한다.
로딩, 링크 초기화 순으로 진행됨.
로딩
- 클래스 로더가 class 파일을 읽고 그 내용에 따라 적절한 바이너리 데이터를 만들고 메소드영역에 저장
- 이때 메소드 영역에 저장되는 데이터
  - FQCN ( Fully Qualified Class Name 패키지 포함 클래스 이름)
  - 클래스 | 인터페이스 | 이넘
- 로딩이 끝나면 해당 클래스 타입의 “Class” 객체를 생성하여 힙 영역에 저장된다.
링크
- 검증 : class 파일 형식이 유효한지 체크
- 클래스 변수(static)와 기본값에 필요한 메모리를 준비
- Resolve: 심볼릭 메모리 레퍼런스를 메소드 영역에 있는 실제 레퍼런스로 교체한다.
초기화
- 스태틱 변수의 값을 모두 할당한다.
클래스 로더 종류
- 클래스 로더는 계층 구조로 이뤄져 있으면 기본적으로 세가지 클래스 로더가 제공된다.
  - 부트 스트랩 클래스 로더 - JAVA_HOME\lib에 있는 코어 자바 API를 제공한다. 최상위 우선순위를 가진 클래스 로더
  - 플랫폼 클래스로더 - JAVA_HOME\lib\ext 폴더 또는 java.ext.dirs 시스템 변수에 해당하는 위치에 있는 클래스를 읽는다.
  - 애플리케이션 클래스로더 - 애플리케이션 클래스패스(애플리케이션 실행할 때 주는 -classpath 옵션 또는 java.class.path 환경 변수의 값에 해당하는 위치)에서 클래스를 읽는다.

2. 메모리

메소드 영역에는 클래스 수준의 정보를 저장 ((풀패키지)클래스 이름, 부모 클래스 이름, 메소드 변수)
- 다른 영역에서도 참조할 수 있는 공유된 공간
힙 영역에는 객체를 저장, 공유한다. (동적 자원)
스택, PC, 네이티브 메소드 스택 이 세가지 공간은 스레드에 국한되는 공간임
스레드를 생성하면 스택 프레임을 생성하는데, 메서드 호출 스택을 저장함.
이렇게 저장된 스택에서 어느 위치를 실행중인지를 가리키는 정보는 PC (Program Counter) 레지스터에 저장함
네이티브 메소드란 java가 아닌 다른 네이티브 언어로 구현된 메소드를 말함.
- 네이티브 언어로 구현된 메소드는 네이티브 메소드 라이브러리에 저장되고, 스택이 메소드를 호출할 때 JNI를 통해서 받아옴.

3. 실행 엔진

인터프리터 : 바이트 (class)코드를 한 줄씩 실행함
반복되는 코드를 발견하면 JIT 컴파일러를 통해 네이티브 코드로 바꿔둔 후, 그 부분이 나오면 가져다 씀
GC (가비지 컬렉터): 필요없는 객체를 모아서 정리함

바이트 코드

바이트 코드 조작 툴

ASM
Javassist
ByteBuddy

바이트 코드 조작 툴 활용 예

프로그램 분석

코드에서 버그 찾는 툴
코드 복잡도 계산

클래스파일 생성

프록시
특정 API 호출 접근 제한
스칼라 같은 언어의 컴파일러

그 밖에도 자바 소스코드 건드리지 않고 코드 변경이 필요한 여러 경우

프로파일러(성능 측정 툴)
최적화
로깅

스프링이 컴포넌트 스캔을 하는 방법

컴포넌트 스캔으로 빈으로 등록할 후보 클래스 정보를 찾는데 사용
ClassPathScanningCandidateComponentProvider → SImpleMetadataReader
ClassReader의 Visitor을 사용해서 클래스의 메타 정보를 읽어온다.

리플렉션

리플렉션이란

구체적인 클래스 타입을 알지 못해도 그 클래스의 메소드, 타입, 변수들에 접근할 수 있도록 해주는 자바 API

클래스에 접근하는 방법

모든 클래스를 로딩하고 나면 Class<T>의 인스턴스가 힙에 적재된다. 타입.class로 접근할 수 있다.
모든 인스턴스는 getClass() 메소드를 가지고 있기 때문에, 인스턴스.getClass()로 접근할 수 있다.
클래스를 문자열로 읽어오는 방법
- Class.forName(”FQCN”) , 클래스 경로에 클래스가 없으면 익셉션 발생

Class`<T>`를 통해 할 수 있는 것

Declared가 붙은 메서드는 public이 아닌 것까지 가져오겠다는 의미임.

필드 (목록) 가져오기 getFields(), getDeclaredFields()
메소드 (목록) 가져오기 getMethods()
상위 클래스 가져오기 getSuperclass()
인터페이스 (목록) 가져오기 getInterfaces()
애노테이션 가져오기 getDeclaredAnnotations()
생성자 가져오기 getDeclaredConstructors()

어노테이션

어노테이션은 기본적으로 주석과 비슷하기 때문에, 소스코드와 클래스단에는 남아 있지만, 코드를 컴파일하고 나면 바이트코드에는 적재되지 않는다.

런타임에서도 어노테이션을 확인하고 싶다면, 어노테이션 인터페이스에 @Retention(RetentionPolicy.RUNTIME) 옵션을 주어야 한다.

어노테이션을 붙일 수 있는 범위를 한정짓고 싶다면, @Target({ElementType.Type}) 옵션을 준다.

어노테이션에 값을 넣어줘야 한다면, String name() 같이 메서드를 선언하고, 어노테이션에서 @Annotation(name = “s4ng”) 같이 입력받는다.

Class.getAnnotations()으로 어노테이션을 가져오게 되면, 직속 부모 클래스에 붙은 어노테이션도 모두 가져온다. 해당 클래스만 가져오려면 Declared를 붙인다.

리플렉션을 이용해서 값을 변경하고 싶다면 Field a = ClassName.class.getDeclaredField() 로 필드를 가져온 후, a.set(~) 과 같은 방법으로 값을 변경할 수 있음.

DI 실습

// Inject 어노테이션 선언
@Retention(RetentionPolicy.Runtime)
public @interface Inject {}

// Inject 어노테이션으로 field 주입 예시
public class BookService {
	@Inject
	BookRepository bookRepository;
}

// getObject
public class ContainerService {

	public static `<T>` T getObject(Class`<T>` classType) {
		// classType.getConstructor로 인스턴스 생성
		T instance = createInstance(classType); 
		Arrays.stream(classType.getDeclaredField()).forEach(f -> {
			if(f.getAnnotation(Inject.class) != null) {
				Object fieldInstance = createInstance(f.getType());
				f.setAccessible(true);
				try {
					f.set(instance, fieldInstance);
				} catch (IllegalAccessException e) {
					throw new RuntimeException(e);
				}
			}	
		}
	}
}

// 새 프로젝트에서 위 프로젝트 사용
public class App {
	public static void main(String[] args) {
		AccountService accountService = ContainerService.getObject(AccountService.class);
	}
}

리플렉션 사용 시 주의점

지나친 사용은 성능 이슈를 야기할 수 있다. 반드시 필요한 경우에만 사용.
컴파일 타임에 확인되지 않고 런타임 시에만 발생하는 문제를 만들 가능성이 있다.
접근 지시자를 무시할 수 있다.

다이나믹 프록시

프록시 패턴

Untitled

프록시와 리얼 서브젝트가 공유하는 인터페이스가 있고, 클라이언트는 해당 인터페이스 타입으로 프록시를 사용한다.
클라이언트는 프록시를 거쳐서 리얼 서브젝트를 사용하기 때문에 프록시는 리얼 서브젝트에 대한 접근을 관리하거나, 부가기능을 제공하거나, 리턴값을 변경할 수도 있다.
리얼 서브젝트는 자신이 해야할 일만 하면서 프록시(단일 책임 원칙)를 사용해서 부가적인 기능(접근 제한, 로싱, 트랜잭션 등)을 제공할 때 이런 패턴을 주로 사용한다.

다이나믹 프록시

런타임에 특정 인터페이스들을 구현하는 클래스 또는 인스턴스를 만드는 기술

// 다이나믹 프록시로 인터페이스를 구현해서 주입하는 예시
//            Proxy 클래스의 newProxyInstance로 BookService 인터페이스의 인스턴스 생성
BookService bookService = (BookService) Proxy.newProxyInstance(
		BookService.class.getClassLoader(), new Class[]{BookService.class},
		new InvocationHandler() {  
			// 인수로 받는 InvocationHandler로 메서드가 실행될 때 변경될 부분을 명시
			// 이 때, InvocationHandler 안에서 리얼 서브젝트 객체를 가지고 있음.
			BookService bookService = new DefaultBookService();
			@Override
			public Object invoke(Obejct proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
				// invoke 메서드 안에서 프록시의 역할을 구현함		
				if(method.getName().equals("methodName")) {				
					System.out.println("additional text");
					Object invoke = method.invoke(bookService, args);			
					return invoke;
				}				
				
				return method.invoke(bookService.args);
			}
		});

이 InvocationHandler로 프록시를 구현하게 되면, 프록시 객체를 매번 생성할 필요는 없어지지만, InvocationHandler 자체가 유연하지 못하고, 또 기능을 추가하다 보면 코드가 계속해서 길어질 우려가 있음.

이러한 문제점을 개선하기 위해 스프링에서 고쳐낸 기능이 Spring AOP 이다.

또 자바의 다이나믹 프록시는 꼭 인터페이스여야 한다. 클래스의 프록시를 생성할 수 없다.

만약 클래스일 때 동적으로 프록시를 만드는 방법이 있다.

클래스로 다이나믹 프록시를 적용하는 방법

CGlib을 이용한 방법

MethodInterceptor handler = new MethodInteceptor() {
	BookService bookService = new BookService();
	@Override
	public Object intercept(Object o, Method methodm Object[] args, 
													MethodProxy methodProxy) throws Throwable {
			if(method.getName().equals("methodName")) {				
				System.out.println("additional text");
				Object invoke = method.invoke(bookService, args);			
				return invoke;
			}				
			
			return method.invoke(bookService.args);
	}
};
BookService bookService = (BookService) Enhancer.create(BookService.class, handler);

CGlib의 Enhancer라는 클래스를 이용해서 해결할 수 있다.
스프링, 하이버네이트가 사용하는 라이브러리
버전 호환성이 좋치 않아서 서로 다른 라이브러리 내부에 내장된 형태로 제공되기도 한다.

ByteBuddy를 이용한 방법

Class<? extends BookService> proxyClass = new ByteBuddy().subclass(BookService.class)
		.method(named("methodName")).intercept(InvocationHandlerAdapter.of(new InvocationHandler() {
			BookService bookService = new BookService();
			@Override
			public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
				return method.invoke(bookService, args);
			}
		}))
		.make().load(BookService.class.getClassLoader()).getLoader();
BookService bookService = proxyClass.getConstructor(null).newInstance();

서브 클래스를 만드는 방법의 단점

상속을 사용하지 못하는 경우 프록시를 만들 수 없다.
- Private 생성자만 있는 경우
- Final 클래스인 경우
인터페이스가 있을 때는 인터페이스의 프록시를 만들어 사용할 것.

다이나믹 프록시의 사용처

스프링 데이터 JPA
스프링 AOP
Mockito
하이버네이트 lazy initialization

어노테이션 프로세서

롬븍의 동작 원리

컴파일 시점에 어노테이션 프로세서를 사용해서 소스코드의 AST(Abstract syntax tree)를 조작한다.

논란

공개된 API가 아닌 컴파일러 내부 클래스를 사용하여 기존 소스 코드를 조작한다.
특히 이클립스의 경우엔 java agent를 사용하여 컴파일러 클래스까지 조작하여 사용한다. 해당 클래스들 역시 공개된 API가 아니다보니 버전 호환성에 문제가 생길 수 있고 언제라도 그런 문제가 발생해도 이상하지 않다.
그럼에도 불구하고 엄청난 편리함 때문에 널리 쓰이고 있으며 대안이 몇가지 있지만 롬복의 모든 기능과 편의성을 대체하진 못하는 현실이다.
- AutoValue
- Immutables

어노테이션 프로세서 구현하기

@Retention(RetentionPolicy.Source) 를 가지고 있는 어노테이션을 선언한다.
굳이 바이트코드 까지 어노테이션을 유지시킬 필요가 없기 때문에.
해당 어노테이션으로 프로세싱을 진행할 클래스를 선언하고 추상 클래스인AbstractProcessor 를 구현한다. 클래스 이름은 MagicProcessor 로 지정하겠음. (Processor 인터페이스를 구현해도 됨.)
클래스 안에 어떤 어노테이션을 프로세싱할지 명시한다. 여기서는 @Magic 어노테이션으로 선언한다.
```
public Set<String> getSupportedAnnotationTypes() {
	return Set.of(Magic.class.getName());
}
```

그 다음 process 메서드를 구현한다.

@Override
public boolean process(Set<? extends TypeElement> annotations, RoundEnvironment roundEnv) {
    Set<? extends Element> elements = roundEnv.getElementsAnnotatedWith(Magic.class);
    for (Element element : elements) {
        Name elementName = element.getSimpleName();
				// interface 타입이 아니면 에러
        if (element.getKind() != ElementKind.INTERFACE) {
            processingEnv.getMessager().printMessage(Diagnostic.Kind.ERROR, "Magic annotation can not be used on " + elementName);
        } else {
            processingEnv.getMessager().printMessage(Diagnostic.Kind.NOTE, "Processing " + elementName);
        }

        TypeElement typeElement = (TypeElement)element;
        ClassName className = ClassName.get(typeElement);
				// 메소드 생성
        MethodSpec pullOut = MethodSpec.methodBuilder("pullOut")
                .addModifiers(Modifier.PUBLIC)
                .returns(String.class)
                .addStatement("return $S", "Rabbit!")
                .build();
				// 타입(클래스) 생성, classBuilder안에는 클래스 이름만 넣어도 됨.
        TypeSpec magicMoja = TypeSpec.classBuilder("MagicMoja")
                .addModifiers(Modifier.PUBLIC)
                .addSuperinterface(className)
                .addMethod(pullOut)
                .build();
				// 어노테이션 프로세서에서 제공하는 filer
        Filer filer = processingEnv.getFiler();
        try {
						// 실제로 바이트코드를 생성하는 코드 (javapoet 사용)
            JavaFile.builder(className.packageName(), magicMoja)
                    .build()
                    .writeTo(filer);
        } catch (IOException e) {
            processingEnv.getMessager().printMessage(Diagnostic.Kind.ERROR, "FATAL ERROR: " + e);
        }
    }
    return true;
}

이후 src/main/resources/META-INF/services 경로에 javax.annotation.processing.Processor 파일을 생성 후 아까 만든 MagicProcessor 의 패키지 경로를 복사해서 입력한다.
```
// 예시
com.s4ng.MagicProcessor
```

6번을 수행하는 것이 너무 번거롭기 때문에 생긴 라이브러리가 있는데 그것이 AutoService 이다.
해당 라이브러리를 사용하지 않고 6번을 수행하게 되면, 바이트 코드가 없는 상태에서 빌드하는데에 문제가 있어서, 예시 부분을 주석처리한 후 clean build하고나서 다시 빌드해야 하는 불편한 점이 있다.
AutoService를 사용하면 컴파일과 동시에 6번 파일이 생성되기 때문에 빌드하는데 별다른 문제점이 생기지 않는다.
사용법은 Dependency 등록 후에 MagicProcessor 클래스에 @AutoService(Processor.class) 어노테이션을 추가하면 된다.

어노테이션 프로세서 사용 예

롬복
AuthService : java.util.
@Override
Dagger2: 컴파일 타임에 DI 제공

어노테이션 프로세서의 장점

런타임 비용이 없다.
- 컴파일을 할 때 모든 프로세싱이 완료되기 때문에.

강의 문서

개요

자바 환경 간단정리

JVM

JRE

JDK

JAVA

JVM 구조

1. 클래스 로더 시스템

2. 메모리

3. 실행 엔진

바이트 코드

바이트 코드 조작 툴

바이트 코드 조작 툴 활용 예

스프링이 컴포넌트 스캔을 하는 방법

리플렉션

리플렉션이란

클래스에 접근하는 방법

Class<T>를 통해 할 수 있는 것

어노테이션

DI 실습

리플렉션 사용 시 주의점

다이나믹 프록시

프록시 패턴

다이나믹 프록시

클래스로 다이나믹 프록시를 적용하는 방법

다이나믹 프록시의 사용처

어노테이션 프로세서

롬븍의 동작 원리

논란

어노테이션 프로세서 구현하기

어노테이션 프로세서 사용 예

어노테이션 프로세서의 장점

끝

Class`<T>`를 통해 할 수 있는 것