프로그램이 자바 언어의 제약을 벗어난다면, JVM은 Exception으로 프로그램에게 에러를 발생시킨다. 예시로 정해진 배열의 범위를 벗어나 접근하는 경우가 있다. 또한, 프로그램은 throws를 사용해서 명시적으로 Exception을 발생시킬 수 있다. 이러한 자바의 Exception의 종류와 동작 방식 등에 대해 알아보자.

Exception의 종류

java exception hierarchy — 출처: https://www.javamex.com/tutorials/exceptions/exceptions_hierarchy.shtml

Exception은 Throwable 클래스 혹은 그 서브클래스들의 인스턴스로 표현된다. 즉, Throwable 클래스와 그의 모든 서브클래스는 모두 예외를 나타내는 클래스들이다.

Throwable 클래스의 직접 서브클래스(direct subclass)로는 Exception 클래스와 Error 클래스가 있다.

Exception 클래스는 일반적인 프로그램에서 복구를 시도할 수 있는 모든 예외의 상위 클래스이다. RuntimeException은 Exception 클래스의 직접 서브클래스이다.
Error 클래스는 일반적인 프로그램에서 복구가 기대되지 않는 모든 예외의 상위 클래스이다. 대표적인 예인 OutOfMemoryError, StackOverflowError와 같이 발생하더라도 개발자가 어찌할 수 없다.

Exception은 크게 Unchecked Exception과 Checked Exception으로 나뉜다.

Unchecked Exception : Error 클래스, RuntimeException 클래스와 그의 서브 클래스를 말한다. 위 그림에서 빨간색에 해당하는 부분이다.
Checked Exception : Unchecked Exception(RuntimeException) 클래스가 아닌 모든 Exception의 서브 클래스를 말한다. 위 그림에서 빨간색이 아닌 파란색에 해당하는 부분이다.

Unchecked Exception

Unchecked Exception은 Error 클래스, RuntimeException 클래스와 그의 서브 클래스를 말한다.

컴파일 타임에 예외 처리를 위한 핸들러의 유무를 확인하지 않는다. Exception 처리가 강제되지 않아 개발자가 예외 처리 핸들러를 구현하지 않아도 된다. 물론, 원하는 경우에는 catch문을 사용해서 예상되는 RuntimeException 예외를 처리해줄 수 있다.

Error 클래스는 시스템 레벨의 심각한 문제를 나타내며, 일반적으로 개발자가 이를 처리할 수 있는 방법이 거의 없다. 예를 들어, OutOfMemoryError나 StackOverflowError와 같은 오류는 복구가 거의 불가능한 상황을 의미한다. 이러한 이유로 개발자는 애플리케이션 코드에서 Error 클래스에 대한 처리를 시도하지 않는 것이 일반적이다. 그렇기에 Unchecked Exception이라고 할 때는 RuntimeException과 그 하위 클래스를 주로 의미한다.

Checked Exception

Checked Exception 클래스는 Unchecked Exception 클래스가 아닌 모든 Exception 클래스이다. 즉, RuntimeException 클래스 이외의 모든 Exception 클래스의 서브 클래스이다.

자바는 Checked Exception에 대한 핸들러를 포함하도록 강제하여, 컴파일 타임에 Checked Exception에 대한 핸들러가 있는지 확인한다. 개발자는 예외 처리 핸들러를 반드시 포함해야 한다. catch문으로 처리하거나 throws를 이용해서 다른 곳에서 처리하도록 해야 한다. 이런 예외 처리 핸들러의 유무를 컴파일 타임에 확인함으로써 처리되지 않는 예외의 수를 줄일 수 있다.

예외 처리 방식

예외를 처리하는 방식에는 예외 복구, 예외처리 회피, 예외 전환 등 3가지 방법이 있다.

예외 복구

예외 상황을 파악하고 문제를 해결해서 정상 상태로 돌려놓는 방법이다.

사용자가 특정 파일을 읽으려는데 파일이 없어 IOException이 발생하는 경우, 다른 파일을 선택하도록 유도하는 것으로 해결할 수 있다. 혹은 DB에 접속하는데에 실패하여 SQLException이 발생하는 경우, 여러 번 재시도하도록 할 수도 있다.

int maxretry = MAX_RETRY;
while (maxretry-- > 0) {
   try {

   } catch (SomeException e) {

   } finally {

   }
}
throw new RetryFailedException();
// 출처: 토비의 스프링 3.1 Vol.1 p286

이처럼 사용자에게는 원하는 것처럼 동작하지 않았기 때문에 예외 상황으로 비쳐지더라도 애플리케이션에서는 정상적인 흐름에 따라 진행되어야 한다. 물론, 단순히 에러 메시지를 사용자에게 보여주는 것은 예외 복구로 볼 수 없다.

예외처리 회피

자신이 예외 처리를 하지 않고 자신을 호출한 곳에서 예외 처리를 하도록 던져버리는 것이다. throws문을 활용해서 예외 발생시 바로 던져버리거나, catch문으로 일단은 잡아 로그를 남기고 다시 예외를 던진다.

public void add() throws SQLException {

}

public void add() throws SQLException {
   try {

   } catch (SQLException e) {
      // 로그 출력
      throw e;
   }
}
// 출처: 토비의 스프링 3.1 Vol.1 p287

예외 전환

예외처리 회피와 같이 throws를 이용해서 자신을 호출한 곳에서 예외를 처리하도록 한다. 하지만, 예외처리 회피와 달리 적절한 다른 예외로 바꾸어 던진다는 특징이 있다.

예외 전환은 보통 두 가지 목적으로 사용된다.

발생한 예외를 그대로 던지는 것이 예외 상황을 적절히 설명하지 못하는 경우, 더 구체적인 의미를 가진 예외로 바꾸기 위해 사용한다.

예를 들어, 새로운 사용자를 등록하는데 이미 같은 아이디의 사용자가 존재하는 경우 SQLException이 발생한다. 하지만, 외부에 그대로 SQLException을 던져버리면 서비스 계층에서는 왜 SQLException이 발생했는지, 처리할 수 있는 것인지, 어떻게 처리할 지 등을 알 수 없다. 중복된 아이디에 대한 예외는 충분히 처리할 수 있기 때문에 적절한 예외로 바꾸어 던지는 것이 좋다.
```
public void add(User user) throws DuplicateUserIdException, SQLException {
   try {

   } catch (SQLException e) {
      if (e.getErrorCode() == MysqlErrorNumbers.ER_DUP_ENTRY) {
         throw DuplicateUserIdException(e);
      } else {
         throw e;
      }
   }
}
// 출처: 토비의 스프링 3.1 Vol.1 p289
```
예외 처리를 쉽고 단순하게 만들기 위해서 사용한다.

주로 예외 처리를 강제하는 Checked Exception에서 Unchecked Exception으로 바꾸는 경우에 사용한다. 예외 복구를 할 수 없거나 비즈니스적으로 의미가 없는 Checked Exception이라면 빠르게 RuntimeException으로 바꿔서 던지는 편이 좋다.

발생한 예외를 다른 예외로 전환하는 경우, 원래 발생한 예외를 담아 중첩 예외를 만드는 것이 좋다. 중첩 예외는 getCause() 메소드를 이용해서 처음 발생한 예외가 무엇인지 파악할 수 있다.

JVM에서 예외를 처리하는 방법 (예외 발생 시 동작 방법)

예외가 발생하면 JVM은 Exception 객체를 생성한다.
Exception 객체가 생성되는 과정에서 fillInStackTrace 메소드가 호출된다.
fillInStackTrace 메소드 호출로 JVM은 예외 발생 시점의 호출 스택에서 각 스택 프레임 정보를 수집하고, 해당 정보가 Exception 객체의 스택 트레이스로 채워진다.

이때 수집되는 스택 프레임의 정보로는 클래스 이름, 메소드 이름, 파일 이름, 라인 번호 등등이 있다.
```
// 스택 트레이스 예시
Exception in thread "main" java.lang.NullPointerException: Cannot load from object array because "BOJ2563.papers" is null
  at BOJ2563.setUp(BOJ2563.java:45)
  at BOJ2563.main(BOJ2563.java:15)
```
호출된 메소드의 스택을 역순으로 올라가면서(unwinding the stack) Exception을 처리할 수 있는 예외 처리 핸들러가 있는지 확인한다.

출처: https://www.geeksforgeeks.org/exceptions-in-java/
만약 예외 처리 핸들러를 발견하지 못하면, JVM은 해당 스레드를 종료시키며, 메인 스레드에서 예외가 처리되지 않으면 프로그램도 종료된다.

예외 처리 비용

일반적으로 예외 처리 비용은 비싸다고 알려져 있다. 그럼 왜 비싸고, 얼마나 비싼 것일까?

우선, Baeldung의 Performance Effects of Exceptions in Java 글에서 성능 측정을 한 결과는 다음과 같았다.

Benchmark                                                 Mode  Cnt    Score   Error  Units
ExceptionBenchmark.createExceptionWithoutThrowingIt       avgt   10   16.605 ± 0.988  ms/op
ExceptionBenchmark.doNotThrowException                    avgt   10    0.047 ± 0.006  ms/op
ExceptionBenchmark.throwAndCatchException                 avgt   10   16.449 ± 0.304  ms/op
ExceptionBenchmark.throwExceptionAndUnwindStackTrace      avgt   10  326.560 ± 4.991  ms/op
ExceptionBenchmark.throwExceptionWithoutAddingStackTrace  avgt   10    1.185 ± 0.015  ms/op

위 글과 The Exceptional Performance of Lil' Exception 글에서의 결론은 다음과 같다.

예외가 발생하고 처리하는 과정은 일반적인 상황에 비해 더 많은 비용이 든다. 진정으로 예외가 필요한 곳에서만 예외 처리를 사용하자.
try~catch문 자체는 성능에 큰 영향을 주지 않는다.
예외 처리 비용의 대부분은 스택 트레이스를 구성하는 것과 스택을 역순으로 따라가며 예외 처리 핸들러를 찾는 과정에서 발생한다.
스택 트레이스를 구성하는 데에 드는 비용은 Exception 객체가 생성되는 시점의 호출 스택 깊이에 비례한다.
예외를 캐싱하거나 fillInStackTrace 메소드를 오버라이드함으로써 최적화를 이룰 수 있다. 스택 트레이스의 정보가 생성되지 않을 수 있기 때문에 매우 특수한 경우에만 진행해야 한다.

(번외) Checked Exception에 대한 이슈

개발자에게 예외 처리를 강제하는 Checked Exception에 대한 이슈가 있다.

무조건 예상되는 예외를 처리하도록 하여 서비스의 안정성을 도모하고자 했지만, 이를 귀찮게 느낀 개발자들은 catch문으로 잡아만 두고 아무런 처리도 하지 않는다거나, 의미 없이 throws Exception만 한다는 것이다. Checked Exception이 처음 등장했을 때와 다르게 최근에는 Unchecked Exception을 사용하자는 의견이 많아지고 있다고 한다.

더 자세한 내용은 아래 글을 참고하자.

https://velog.io/@eastperson/Java의-Checked-Exception은-실수다-83omm70j

[Java] Exception에 대한 고찰

SERIES: 자바/Java (1)