프로그래밍 언어는 다양하다. 그런데 인공지능 개발과 관련해서는 파이썬, C, 자바 등을 알면 도움이 된다고 한다. 그렇다면 자바는 무엇이고 왜 배워야 하는가, 자바와 파이썬의 차이는 무엇인지 알아보자. 이것은 절대로 자바 언어를 배우기 싫어서 찾아본 것이 아니다. 🫣
자바(Java)란 무엇인가
자바(Java)는 현재 Oracle Corporation인 Sun Microsystems에서 개발한 객체지향 프로그래밍 언어이다. 자바라는 프로그래밍 언어는 1995년 처음으로 소개되었으며, "Write Once, Run Anywhere(WORA)"라는 개념으로 유명하다. 즉, 자바로 작성된 프로그램이 한 번 작성되면 여러 플랫폼에서 실행될 수 있다는 것을 의미한다. 이런 점에서는 파이썬보다 꽤 유용한 언어가 아닐까.
자바 프로그래밍 언어의 특징
객체지향 프로그래밍 (Object-Oriented Programming, OOP)
객체지향 프로그래밍 언어인 자바는 코드를 객체 단위로 구성하고, 이러한 객체들 간의 상호 작용을 통해 프로그램을 구현하는 것이 특징이다. 한 번 작성된 후 여러 플랫폼에서 실행되는 자바의 핵심 개념 상 객체지향 프로그래밍 또한 코드의 재사용성과 유지보수성을 향상시킨다는 점에서 같은 기조를 유지한다. 그런데 파이썬도 객체지향 프로그래밍이 가능했던거 같은데 자꾸 괜히 비교하게 된다. 아무튼 절대 자바가 배우기 싫어서 알아보는 것이 아니다. 🫣
플랫폼 독립성
자바는 가상 머신(Java Virtual Machine, JVM) 위에서 동작하며, 이는 특정 플랫폼에 종속되지 않고 여러 플랫폼에서 실행될 수 있게 하는 특징을 가진다. 다시 한번, 이것은 자바의 "Write Once, Run Anywhere(WORA)" 원칙을 실현하는 데에 기여한다고 할 수 있다. JVM은 자바 바이트코드를 실행하는 역할을 하는 것으로, 자바 컴파일러는 자바 소스 코드를 컴파일하여 바이트코드(.class 파일)를 생성한다. 이 바이트코드는 특정 플랫폼에 종속되지 않고, JVM이 해석하거나 기계어로 변환하여 실행 가능하다. 플랫폼 독립적으로 실행되는 JVM은 자동으로 메모리를 관리하며, 가비지 컬렉션(Garbage Collection)을 통해 더 이상 사용되지 않는 객체들을 정리하여 메모리 누수를 방지할 수도 있다. JVM은 멀티스레딩을 지원하고, 자바 언어에서의 스레드 생성 및 관리를 담당하는데, 이것이 병렬 프로그래밍을 가능하게 한다. 그렇다면 이 지점에서 인공지능과 관련성이 조금 보인다. JVM은 Just-In-Time(JIT) 컴파일러를 포함하고 있는데, JIT 컴파일러는 바이트코드를 해당 플랫폼의 기계어로 실시간으로 변환하여 실행 성능을 향상시키는 역할을 한다. JVM은 또한 자바 네이티브 인터페이스(JNI)를 통해 자바 언어와 다른 언어(C, C++, 어셈블리 등) 간의 상호 운용성을 제공한다. 따라서 자바에서 네이티브 코드를 호출하거나 네이티브 코드에서 자바 코드를 호출할 수 있게 되는 것이다.
강력한 표준 라이브러리(API)
자바는 다양하고 풍부한 표준 라이브러리를 제공하는데, 이 라이브러리들은 데이터 구조, 입출력, 네트워킹, 그래픽 등 다양한 영역에서 사용할 수 있도록 구현되어 있다. 자바 기반의 AI 및 머신 러닝 라이브러리와 프레임워크로는 Deeplearning4j (DL4J), Weka, JavaML, Apache OpenNLP, DL4J-Playground 등이 있다. 자바로 구현된 오픈 소스 딥 러닝 라이브러리 DL4J는 분산 컴퓨팅 환경에서도 효과적으로 동작할 수 있도록 설계되었으며, Java, Scala, Kotlin 등의 JVM 언어로 개발된 애플리케이션과 통합이 쉽다. Weka는 자바로 개발된 머신 러닝 소프트웨어로 다양한 머신 러닝 알고리즘을 포함하고 있어 간단한 분류나 군집화 작업부터 복잡한 데이터 마이닝 작업까지 다양한 응용 분야에서 사용될 수 있다. JavaML은 자바로 구현된 머신 러닝 라이브러리인데, 상대적으로 가벼우며 간단한 머신 러닝 작업에 적합한 것이 특징이다. 자연어 처리 (NLP)에 중점을 둔 자바 라이브러리인 Apache OpenNLP는 텍스트 기반의 데이터에서 정보 추출, 문장 감지, 토큰화, 명명 개체 인식 등을 수행할 수 있다. DL4J-Playground는 이름 그대로 DL4J와 함께 사용되는 자바 기반의 웹 기반 딥 러닝 시각화 도구이며, 딥 러닝 모델의 훈련과 결과를 시각적으로 확인하는 데 사용된다.
동적 메모리 할당과 가비지 컬렉션
자바는 프로그래머가 명시적으로 메모리를 할당하고 해제할 필요가 없으며, 가비지 컬렉션 기능을 통해 더 효율적으로 메모리를 관리할 수 있다. 가비지 컬렉션 기능은 사용하지 않는 객체들을 자동으로 제거하여 메모리 누수를 방지하고 프로그램의 안정성을 높일 수 있어 유용하다. 동적 메모리 측면에서는 C와 비슷한 것이 아닐까 생각된다.
높은 보안 기능
자바는 안전한 프로그래밍 환경을 제공하기 위해 다양한 보안 기능을 내장하고 있는데, 악의적인 코드 실행을 방지하고 안전한 애플리케이션 개발을 지원하는 데 도움을 준다. 자바가 제공하는 다양한 보안 라이브러리와 API는 네트워크 통신, 데이터 암호화, 인증, 디지털 서명, 권한 관리 등 다양한 보안 기능을 구현할 수 있게 한다. 이러한 기능들은 Java Security API, Java Cryptography Architecture (JCA), Java Authentication and Authorization Service (JAAS) 등을 통해 제공된다. Java Security API는 `java.security` 패키지에 속해 있으며, 기본적인 보안 서비스를 제공하며 암호화, 디지털 서명, 난수 생성, 키 및 인증서 관리 등의 다양한 보안 서비스를 포함한다. `Security` 클래스를 통해 보안 프로바이더(Provider)를 등록하고 관리할 수 있다. Java Cryptography Architecture (JCA) 또한 `java.security` 패키지 내의 일부로, 암호화 및 해시 기능과 관련된 API를 정의한다. JCA는 다양한 암호 알고리즘을 제공하며, `Cipher`, `KeyGenerator`, `MessageDigest` 등의 클래스를 사용하여 데이터를 암호화하고 해시할 수 있다. Java KeyStore API 역시 `java.security` 패키지 내에 포함되어 있으며, 키와 인증서를 저장하는 데 사용되며, 주로 디지털 서명 및 SSL/TLS와 같은 보안 프로토콜에서 사용된다.
보안관련 툴에 대해 조금 더 알아보면, Java Authentication and Authorization Service (JAAS)는 사용자 인증 및 권한 부여를 위한 API를 제공하는데, `javax.security.auth` 패키지에 속해 있으며, 로그인 모듈과 권한 부여 모듈을 통해 강력한 인증 및 권한 관리를 구현할 수 있다. Java Secure Socket Extension (JSSE)는 네트워크 통신에 대한 보안을 제공하는 API로, SSL/TLS 기반의 암호화 통신을 구현할 수 있으며, `javax.net.ssl` 패키지에서 제공된다. Java GSS-API (Generic Security Services API)는 네트워크 보안을 제공하기 위한 일반적인 서비스 API로, `javax.security.sasl` 패키지에서 제공되며 주로 인증 및 권한 부여를 위해 사용된다.
자바와 파이썬의 차이
자바(Java)와 파이썬(Python)은 둘 다 각자의 강점과 특징을 가지고 있지만, 몇 가지 주요한 차이점이 있다. 먼저 문법 및 코드 가독성 측면에서 자바는 명시적인 타입 선언을 강조하며 코드가 더 길고 복잡할 수 있다. 자바는 정적 타입 언어로, 변수의 데이터 타입을 선언해야 한다. 반면에 파이썬은 동적 타이핑을 지원하며, 타입 선언이 필요하지 않기 때문에 코드가 간결하고 가독성이 높아질 수 있다. 그러나 파이썬과 같이 간결하고 가독성이 높은 문법은 개발자가 실수를 줄이고 코드를 이해하기 쉽게 만들기도 하지만 이로 인해 개발자의 의도를 다르게 해석할 수 있는 상황이 발생할 수도 있다.
플랫폼 독립성 측면에서의 차이점은 자바가 월등하다. "Write Once, Run Anywhere(WORA)" 원칙에 따라 플랫폼 독립성을 제공하며, 자바 가상 머신(JVM)에서 실행되므로 어느 플랫폼에서든 동일한 바이트코드를 실행할 수 있다. 그러나 파이썬 코드는 인터프리터를 통해 실행되므로 일반적으로는 플랫폼에 종속된다. 물론 파이썬도 플랫폼 독립성을 제공하는 PyInstaller, cx_Freeze 등의 도구를 통해 실행 파일로 변환할 수 있다.
성능 측면에서 일반적으로 자바는 컴파일 언어로, 정적 타입 검사를 통해 성능을 최적화할 수 있어 특히 대규모 엔터프라이즈 시스템에서 성능이 우수한 특징이 있다. 앞서 보안성에서도 확인했듯이 이러한 이유로 은행과 같은 대기업 금융기관에서 자바를 사용하는 경우가 많다. 반면에 파이썬은 인터프리터 언어로, 실행 시간에 코드를 해석하기 때문에 일반적으로 자바보다는 성능이 떨어지지만, 최근에는 PyPy와 같은 JIT(Just-In-Time) 컴파일러를 통해 성능을 향상시키는 시도도 존재한다.
따라서 자바는 주로 대규모 엔터프라이즈 시스템, 서버 측 애플리케이션, 모바일 애플리케이션(Android) 등의 개발에 사용되며, 파이썬은 데이터 과학, 인공지능, 웹 개발, 스크립팅 등의 다양한 분야에서 사용되고, 특히 간단하고 빠른 프로토타이핑에 사용되고 있다.
그래서 결론은..
자바가 왜 그렇게 많이 사용되고 배워야 한다고 하는지 알 수 있다. 그러나 인공지능을 위해서라기보다는 보다 큰 규모의, 안정적인 시스템이나 서비스를 구현하기 위해서 궁극적으로 알아두면 좋을 언어라고 생각한다.
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