[Java] 메모리

Java의 메모리 영역

Java 프로그램이 실행되면 JVM(자바 가상 머신)은 OS로부터 메모리를 할당받고, 그 메모리를 용도에 따라 여러 영역으로 나누어 관리한다.
JVM의 메모리 공간(Runtime Data Area)는 크게 Method(Static) 영역, Stack 영역, Heap 영역으로 구분되고 데이터 타입에 따라 각 영역에 나눠서 할당 되게 된다.

JVM이란?

• 자바 프로그램 실행환경을 만들어주는 소프트웨어
• 자바 코드를 컴파일하여 .class 바이트 코드로 만들면 해당 코드가 JVM 환경에서 실행된다
• JVM은 JRE(Java Runtime Environment)에 포함되어 있다.

Java는 어떠한 플랫폼에 영향을 받지 않는다.

JVM을 사용하면 하나의 바이트 코드(.class)로 모든 플랫폼에서 동작하도록 할 수 있다.

.class : 바이트 코드라고 하며 사람이 쓰는 자바 코드에서 컴퓨터가 읽는 기계어의 중간 단계이다.

[예시]

C / C++에서는 컴파일 플랫폼(OS)과 타겟 플랫폼이 다를 경우 프로그램이 동작하지 않는다.

하지만 Java의 경우 플랫폼에 설치되어 있는 JVM이 운영체제에 맞는 실행 파일로 변환 시켜주기에 컴파일한 바이트 코드로 모든 플랫폼에서 동작이 가능하다.

즉 Java는 플랫폼에 종속적이지 않지만 JVM은 플랫폼에 종속적이다.

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자바 변수

메모리 영역에 대한 이해도를 높이기 위해선 자바 변수의 종류에 대한 이해가 우선되어야 한다.

변수명	선언위치	생성시기	설명
클래스 변수 (class variable) (= static 변수)	클래스 영역	클래스가 메모리에 올라갈 때	클래스 영역에서 타입 앞에 static이 붙는 변수 객체를 공유하는 변수로 여러 객체에서 공통으로 사용하고 싶을 때 정의
인스턴스 변수 (instance variable)	클래스 영역	인스턴스가 생성되었을 때	클래스 영역에서 static이 아닌 변수 개별적인 저장 공간으로 객체/인스턴스마다 다른 값 저장 가능 ※ 객체/인스턴스 생성만 하고 참조 변수가 없는 경우 가비지 컬렉터에 의해 자동 제거됨
지역 변수 (local variable)	메서드 영역	위치하고 있는 메서드가 수행되었을 때	메서드 내에서 선언되고 메서드 수행이 끝나면 소멸되는 변수 초기값을 지정한 후 사용할 수 있음
매개 변수 (parameter)	메서드 영역	위치하고 있는 메서드가 수행되었을 때	메서드 호출 시 ‘전달하는 값’을 가지고 있는 인수 (지역 변수처럼 선언된 곳부터 수행이 끝날 때까지 유효함)

Method(Static) 영역

• JVM이 구동될 때 생성되며 모든 스레드가 공유하는 영역
• JVM이 읽어들인 클래스와 인터페이스에 대한 런타임 상수 풀(runtime constant pool), 멤버 변수(필드), 클래스 변수(Static 변수), 상수(final), 생성자(constructor)와 메소드(method)등을 저장하는 공간
• Method(Static) 영역의 데이터는 프로그램의 시작부터 종료될 때까지 메모리에 남아있다
  • 장점 : 프로그램이 종료될 때까지 어디서든 접근 및 사용 가능
  • 단점 : 무분별하게 많이 사용할 경우 메모리 부족 현상이 일어날 수 있게 된다.

* 런타임 상수 풀(runtime constant pool)
- Type에서 사용된 상수를 저장하는 곳  
- 문자 상수, 타입, 필드 Method reference도 상수 풀에 저장  
- final class 변수의 경우에도 상수 풀에 값 복사

[예시]

public class Main {
    public static int s = 10;

    public static void main(String[] args) {
        int a = 5;
        int b = 5;
        int result1 = a + b + Main.s;
        System.out.println(result); // 20

        Counter sub = new Counter();
        twice(sub);
        int result2 = sub.get();
        System.out.println(result2); // 100
    }

    public static void twice(Counter c) {
        c.plus(10);
        c.plus(20);
    }
}

class Counter {
    public int state = 50;
    public final int count = 20;

    public int get() {
        return state + count;
    }

    public void plus(int n) {
        state += n;
    }
}

• 클래스 변수(static)와 메소드는 무조건 Method 영역에 적재
• 일반 인스턴스 변수인 Counter 클래스의 변수 state 그리고 count는 final 키워드가 붙어있음에도 Method 영역에 들어가지 않음

Stack 영역

• 원시(primitive) 타입의 데이터(int, double, byte, long, boolean 등)에 해당되는 지역변수, 매개 변수 데이터 값이 저장
• 메소드가 호출 될 때 메모리에 할당되고 종료되면 메모리에서 사라짐
• 후입선출(LIFO)의 특성을 가지며 스코프(scope)의 범위를 벗어나면 메모리에서 삭제
• Stack 영역은 각 스레드가 생성되는 순간마다 해당 스레드를 위한 stack 영역이 생성된다.
• 서로 다른 스레드의 stack 영역에는 접근 불가
• 메소드가 호출될때 스택 영역에 스택 프레임이 생기고 그 안에 메소드를 호출 ```
• 스택 프레임(stack frame) 하나의 메서드에 필요한 메모리 덩어리를 묶어서 스택 프레임(stack frame)이라고 한다. 하나의 메서드당 하나의 스택 프레임이 필요하며, 메서드를 호출하기 직전 스택 프레임을 자바 Stack에 생성한 후 메서드를 호출하게 된다. 스택 프레임에 쌓이는 데이터는 메서드의 매개변수, 지역변수, 리턴값 등이 있다. 만일 메서드 호출 범위가 종료되면 스택에서 제거된다. ```

[예시]

public class Main {
    public static int s = 10;

    public static void main(String[] args) {
        int a = 5;
        int b = 5;
        int result1 = a + b + Main.s;
        System.out.println(result); // 20
    }
}

Heap 영역

• 참조형(Refenrece Type) 데이터 타입을 갖는 객체(인스턴스), 배열 등이 저장되는 공간
• 단, Heap 영역에 있는 오브젝트들을 가리키는 레퍼런스 변수는 stack에 적재
• Heap 영역은 Stack 영역과 다르게 보관되는 메모리가 호출이 끝나더라도 삭제되지 않고 유지된다. 그러다 어떤 참조 변수도 Heap 영역에 있는 인스턴스를 참조하지 않게 되면, GC(가비지 컬렉터)에 의해 메모리에서 청소된다.
• Stack은 스레드 수에 맞춰 각각 생성되지만, Heap은 몇 개의 스레드가 존재하든 상관없이 단 하나의 Heap 영역만 존재한다.

실행 과정

[예시]

public class Main {
    public static int s = 10;

    public static void main(String[] args) {
        int a = 5;
        int b = 5;
        int result1 = a + b + Main.s;
        System.out.println(result); // 20

        Counter sub = new Counter();
        twice(sub);
        int result2 = sub.get();
        System.out.println(result2); // 100
    }

    public static void twice(Counter c) {
        c.plus(10);
        c.plus(20);
    }
}

class Counter {
    public int state = 50;
    public final int count = 20;

    public int get() {
        return state + count;
    }

    public void plus(int n) {
        state += n;
    }
}

1. Method 영역 확인

• Method 영역에 런타임 상수 풀, 멤버 변수(필드), 클래스 변수(Static 변수), 상수(final), 생성자(constructor)와 메소드(method) 등을 저장
  

2. Counter 생성자 호출

• Heap 영역에 Counter 클래스 인스턴스 변수들 저장
• Stack 영역에 지역 변수 sub가 주소값을 가진채로 저장
  

3. twice 메소드 실행

• 새로운 메소드를 실행하는 것이기에 Stack 영역에 새로운 스택 프레임 생성
• 클래스를 가리키는 매개변수 c는 Heap의 Counter 클래스 주소값을 가진채 Stack 영역에 저장
  

4. plus 메소드 실행

• 객체 Counter에 정의된 새로운 메소드를 실행하는 것이기에 새로운 스택 프레임 생성
• this라는 암묵적인 변수 자동 생성, 이 this는 자동으로 Heap 영역의 Counter를 가리키게 된다.
• 연산이 이루어져 Heap 영역의 인스턴스 변수 state 값이 변환된다
  

5. get 메소드 실행

• 실행 완료한 plus 스택 프레임 제거
• get이라는 새로운 메소드를 실행했기에 새로운 스택 프레임 생성
• this변수가 Heap 영역의 객체를 가리키고 해당 객체의 인스턴스 변수를 반환
• 실행 완료한 get 스택 프레임 제거
• 지역 변수 result2가 main 스택 프레임에 추가
  

6. 마지막 코드 실행 후 main 스택 프레임 제거

• 스택 영역은 메서드의 끝을 알리는 닫는 중괄호 }를 만나면 자동으로 메모리에서 제거
• Heap 영역에는 여전히 객체 데이터가 메모리에 상주
  

7. GC(가비지 컬렉터) 청소 시간

• 가비지 컬렉터는 heap 영역에 참조되지 않고 남은 객체들을 삭제
• 코드 실행이 모두 끝나면 Method(Static) 영역도 비워지게 된다.
  

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[추가] Heap과 Stack 메모리의 차이점

• Heap 메모리는 어플리케이션의 모든 부분에서 사용되는 반면, Stack 메모리는 하나의 스레드가 실행될 때 사용
  • Heap과 Method 영역에 저장된 객체는 어디서든지 접근이 가능하지만, Stack 메모리는 다른 스레드가 접근 불가
• 객체 생성 시 항상 Heap 영역에 저장되며, 스택 메모리는 Heap 영역에 있는 객체를 참조
  • Stack 메모리는 원시(primitive) 타입의 지역 변수와 힙 공간에 있는 객체 참조 변수만 갖고 있다.
• Stack 메모리의 생명주기는 매우 짧고 Heap 메모리는 어플리케이션의 시작~끝까지 살아남는다.
• Java 코드를 실행할 때 따로 -Xms와 -Xmx 옵션 사용을 통해 Heap 메모리의 초기 사이즈와 최대 사이즈를 조정 가능하다.
• Stack 메모리가 가득차면 java.lang.StackOverFlowError를 발생
• Heap 메모리가 가득차면 java.lang.OutOfMemoryError : Java Heap Space에러를 발생
• Stack 메모리 사이즈는 Heap 메모리와 비교했을 때 매우 적다. 하지만 Stack 메모리는 LIFO를 통해 간단하게 메모리를 할당하기에 Heap 메모리보다 빠르다.