☕ 그림으로 보는 자바 코드의 메모리 영역(스택 & 힙)

자바의 메모리 영역

이번 포스팅에선 자바(JAVA)를 사용하는 입장에서 알아야 할 메모리 구조 및 특징에 대해서 알아보려고 한다.

자바 프로그램이 실행되면 JVM(자바 가상 머신)은 OS로부터 메모리를 할당받고, 그 메모리를 용도에 따라서 여러 영역으로 나누어 관리를 한다.

JVM의 메모리 공간(Runtime Data Area)은 크게 Method(Static) 영역, Stack 영역, Heap 영역으로 구분되고 데이터 타입(자료형)에 따라 각 영역에 나눠서 할당 되게 된다.

https://blog.naver.com/chlwlstjd10/222239136195

 

컴퓨터의 메모리는 사용할 수 있는 공간이 한정되어 있기 때문에 어떻게 관리하느냐에 따라서 프로그램의 성능(속도 등)이 좌우된다.

그래서 메모리 설계가 잘되어 있는 프로그램에 비해 그렇지 않은 프로그램은 속도 저하 현상이나 튕김 등의 현상이 일어날 확률이 크다.

결과적으로 같은 기능의 프로그램이라 하여도 메모리의 관리에 따라 성능이 차이가 나게 되는 것이다.

따라서 Java 어플리케이션에서 메모리를 효율적으로 사용하기 위해서는 메모리 구조와 특징에 대해 이해할 필요가 있다.

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자바 변수의 종류

메모리 영역을 알기 전에 자바에서 선언 위치에 따른 변수의 종류를 먼저 알아보도록 하자.

변수는 크게 네 종류로 변수의 선언된 위치에 따라서 클래스변수, 인스턴스변수, 지역변수, 매개변수로 나뉜다.

변수명	선언위치	설명
클래스 변수 (class variable) (= static 변수)	클래스 영역	클래스 영역에서 타입 앞에 static이 붙는 변수 객체를 공유하는 변수로 여러 객체에서 공통으로 사용하고 싶을 때 정의
인스턴스 변수 (instance variable)		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	메서드 내에서 선언되고 메서드 수행이 끝나면 소멸되는 변수 초깃값을 지정한 후 사용할 수 있음
매개 변수 (parameter)		메서드 호출 시 '전달하는 값'을 가지고 있는 인수 (지역 변수처럼 선언된 곳부터 수행이 끝날 때까지 유효함)

각 변수의 생성시기는 아래와 같다.

• 클래스변수 : 클래스가 메모리에 올라갈 때
• 인스턴스변수 : 인스턴스가 생성되었을 때
• 지역변수 / 매개변수 : 위치하고 있는 메서드가 수행되었을 때

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Method(Static) 영역

• JVM이 동작해서 클래스가 로딩될 때 생성.
• JVM이 읽어들인 클래스와 인터페이스 대한 런타임 상수 풀, 멤버 변수(필드), 클래스 변수(Static 변수), 상수(final), 생성자(constructor)와 메소드(method) 등을 저장하는 공간.
• Method(Static) 영역에 있는 것은 어느곳에서나 접근 가능
• Method(Static) 영역의 데이터는 프로그램의 시작부터 종료가 될 때까지 메모리에 남아있다.
  그래서 static 메모리에 있는 데이터들은 프로그램이 종료될 때까지 어디서든 사용이 가능하다.
  그러나 static 데이터를 무분별하게 많이 사용할 경우 메모리 부족 현상이 일어날수 있게 된다.

예를 들어 다음과 같은 코드가 있을경우, Method 영역에 들어가는 코드는 다음과 같다.

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(result1); // 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 count 은 final 키워드가 붙었음에도 Method 영역에 들어가지 않음 (Heap 에 들어감)

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Stack 영역

• 메소드 내에서 정의하는 기본 자료형에 해당되는 지역변수의 데이터 값이 저장되는 공간
• 메소드가 호출될때 스택 영역에 스택 프레임이 생기고 그안에 메소드를 호출
• 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
• Stack 은 후입선출 LIFO(Last-In-First-Out) 의 특성을 가지며, 스코프(Scope) 의 범위를 벗어나면 스택 메모리에서 사라진다.

[ 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 스택프레임을 자바 Stack에 생성한 후 메서드를 호출하게 된다.
스택 프레임에 쌓이는 데이터는 메서드의 매개변수, 지역변수, 리턴값 등이 있다.
만일 메서드 호출 범위가 종료되면 스택에서 제거된다.

 

처음의 샘플코드에서 public static void main(String[] agrs) 라는 메인 메서드가 실행되면 스택 영역에 스택 프레임이 쌓이고 안에 지역변수와 매개변수가 담기게 된다.

• 메소드의 매개변수 args 와 메소드 블록 안의 지역변수 a , b , result1 이 담아진다.

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Heap 영역

• JVM이 관리하는 프로그램 상에서 데이터를 저장하기 위해 런타임 시 동적으로 할당하여 사용하는 영역
• 참조형(Reference Type) 데이터 타입을 갖는 객체(인스턴스), 배열 등이 저장 되는 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 된다면, GC(가비지 컬렉터)에 의해 메모리에서 청소된다.
• stack은 스레드 갯수마다 각각 생성되지만, heap은 몇개의 스레드가 존재하든 상관없이 단 하나의 heap 영역만 존재

 

1. 생성자 new Counter() 를 호출한다.

• 생성자를 호출하면 heap 영역에 Counter 클래스 인스턴스 변수들이 저장되게 되고, stack 영역의 지역변수 sub 에 주소값으로 연결되게 된다.

 

 

2. twice(sub) 메소드를 실행한다.

• 새로운 메소드를 실행하는 것이니, stack 영역에 새로운 스택 프레임이 생기게 된다.
• 그리고 아규먼트로 클래스를 전달하였기 때문에 twice() 의 매개변수 c 는 주소값으로 같은 힙 영역을 가리키게 된다.

 

 

3. 객체의 plus() 메소드를 실행한다.

• 객체 Counter에 정의된 plus() 메소드를 호출하게 되는데, 이 역시 메소드 이므로 스택 영역에 새로운 스택 프레임으로 생성되게 된다.
• 다만 여기서 this 라는 암묵적인 변수가 자동 생성되게 되는데, 이 this 변수는 자동으로 힙 영역에 있는 Counter 객체를 가리키게 된다.
• 따라서 plus() 메소드 안의 코드 state += n 이 동작하면서 힙 영역에 있는 인스턴스 변수 state 가 값이 변하게 된다.

 

 

4. 객체의 state 인스턴스 변수를 가져오는 get() 메소드를 호출한다.

• 모두 실행되어 볼일이 끝난 plus() 스택 프레임은 제거 된다.
• 마찬가지로 sub 객체변수의 메소드 get()을 호출하면 스택 영역에 새로운 스택 프레임이 생기고, this 변수가 힙 영역의 객체를 가리키게 된다. 그리고 힙 영역의 변수를 반환하게 된다.
• 마지막으로 할일을 마친 get() 스택 프레임은 스택 영역에서 제거되고, main 스택 프레임에 result2 지역 변수가 추가된다.

이 예제에서 강조되는 부분은 호출되는 메서드가 파라미터로 객체값을 전달받아 객체의 상태를 변경하게 되면, 메서드 종료(스택 제거) 이후에도 힙 영역에 있는 객체의 상태는 쭉 유지된다는 점이다.

 

 

5. 마지막 코드가 실행되면 main 스택 프레임은 스택 영역에서 제거된다.

• 스택 영역은 메서드의 끝을 알리는 닫는 중괄호 } 를 만나면 자동으로 메모리에서 제거된다.
• 그러나 힙 영역에는 여전히 객체 데이터가 메모리에 상주되게 된다.

 

 

6. 가비지 컬렉터(GC)가 힙 영역을 청소한다.

• 가비지 컬렉터는 힙 영역에 참조되지 않고 남아버린 고아 객체들을 식별해 힙 영역을 청소 해주는 역할을 한다.
• 추가로 코드 실행이 모두 끝나면 Method(Static) 영역도 비워지게 된다.

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힙 과 스택 메모리의 차이점

총정리 겸 마지막으로 heap 과 stack 메모리 영역에 대한 간단한 차이점을 나열해 보면 다음과 같다.

https://www.javatpoint.com/stack-vs-heap-java

• 힙 메모리는 애플리케이션의 모든 부분에서 사용되며, 반면에 스택 메모리는 하나의 스레드가 실행될 때 사용.
  그래서 힙 과 메서드 공간에 저장된 객체는 어디서든지 접근이 가능하지만, 스택 메모리는 다른 스레드가 접근할 수 없다.
• 언제든지 객체가 생성되면 항상 힙 공간에 저장되며, 스택 메모리는 힙 공간에 있는 객체를 참조만 한다.
  즉, 스택 메모리는 primitive 타입의 지역변수와 힙 공간에 있는 객체 참조 변수만 갖고 있다.
• 스택메모리의 생명주기는 매우 짧으며, 힙 메모리는 애플리케이션의 시작부터 끝까지 살아남는다.
• 자바 코드를 실행할때 따로 -Xms과 -Xmx 옵션을 사용하면 힙 메모리의 초기 사이즈와 최대 사이즈를 조절할 수 있다.
• 스택 메모리가 가득차면 자바에서는 java.lang.StackOverFlowError를 발생.
  힙 메모리가 가득차면 java.lang.OutOfMemoryError : Java Heap Space 에러를 발생
• 스택 메모리 사이즈는 힙 메모리와 비교했을 때 매우 적다. 하지만 스택 메모리는 간단한 메모리 할당 방법(LIFO)를 사용하므로 힙 메모리보다 빠르다.