자바 메모리 구조 이해하기

자바 애플리케이션의 성능을 분석하거나 메모리 문제를 해결하려면 JVM(Java Virtual Machine)의 메모리 구조를 정확히 이해하는 것이 무엇보다 중요합니다.

 

오늘은 아래 내용을 같이 다뤄볼게요

• JVM 메모리가 어떤 구조로 이루어져 있는지
• 메서드 영역, 힙, 스택이 각각 어떤 역할을 하는지
• 객체와 클래스 정보가 어떻게 저장되는지
• 메서드 호출 시 스택 프레임이 어떤 방식으로 동작하는지
• 실제 코드 예제를 통해 살펴보는 JVM 메모리의 상호작용

이 글을 읽으면 자바 프로그램이 메모리를 어떻게 사용하며 실행되는지 전체 흐름을 자연스럽게 이해할 수 있을 거예요.

 

JVM 메모리 구조가 중요한 이유

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JVM 메모리를 이해하면 다음과 같은 문제를 더 정확하게 진단하고 최적화할 수 있습니다.

• 메모리 누수나 OutOfMemoryError의 원인을 파악할 수 있습니다.
• GC(Garbage Collector)가 어떻게 동작하는지 이해하는 데 필수적입니다.
• 힙 크기나 스레드 스택 크기처럼 성능에 영향을 주는 튜닝 포인트를 올바르게 판단할 수 있습니다.
• 객체의 생성부터 소멸까지 이어지는 생명주기를 파악해 더 효율적인 구조로 최적화할 수 있습니다.

 

JVM 메모리 구조

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JVM 메모리는 크게 다음 세 가지 핵심 영역으로 구성됩니다.

• 메서드(Method) 영역
• 힙(Heap)
• 스택(Stack)

아래에서 각 영역이 어떤 역할을 하는지 자세히 살펴보겠습니다.

 

메서드 영역(Method Area)

메서드 영역은 클래스 수준의 정보를 저장하는 공용 메모리 공간입니다. 주요 특징은 다음과 같습니다.

• 클래스 로더가 로드한 클래스·인터페이스의 메타데이터 저장
• static 변수 저장
• 상수(Constant Pool) 저장
• 모든 스레드가 공유

한 번 로드된 클래스 정보는 프로그램 전체에서 사용되며, 인스턴스가 여러 개 생성되더라도 메서드 코드는 중복으로 만들어지지 않습니다.

 

힙 영역(Heap)

힙은 JVM에서 가장 큰 메모리 영역으로, 모든 객체 인스턴스와 배열이 저장되는 공간입니다.

• new 키워드로 생성된 객체 저장
• GC(Garbage Collector)가 객체의 생명주기를 관리
• 모든 스레드가 공유

힙을 어떻게 설정하고 관리하느냐에 따라 애플리케이션의 성능과 안정성이 크게 달라지기 때문에 특히 중요한 영역입니다.

 

스택 영역(Stack)

스택 영역은 스레드마다 독립적으로 생성되는 메모리 공간으로, 메서드 호출 시 만들어지는 스택 프레임(Stack Frame)을 저장합니다.

스택 프레임에는 다음 정보가 포함됩니다.

• 지역 변수
• 매개변수
• 메서드 실행 상태 정보

메서드가 호출되면 스택 프레임이 차곡차곡 쌓이고, 실행이 끝나면 제거되는 LIFO(Last In, First Out) 구조를 따릅니다.

 

메서드 영역과 힙 영역의 관계

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여기서 주로 혼동되는 개념이 바로 메서드 영역과 힙 영역의 관계에 대한 개념입니다.

예시를 들어보겠습니다.

class Person {
    private String name;
    private int age;
    
    public Person(String name, int age) {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }
    
    public void sayHello() {
        System.out.println("안녕 내 이름은 " + name + "이고, 나이는 " + age + "살이야");
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Person person1 = new Person("chulsoo", 30);
        Person person2 = new Person("yeonghee", 25);
        
        person1.sayHello();
        person2.sayHello();
    }
}

 

위 예시에서, Person 클래스는 해당 객체의 속성을 나타내는 변수 name과 age를 가지고 있고, sayHello라는 메서드를 포함하고 있ㅆ브니다.

그리고 main 메서드에서 Person의 인스턴스 두개를 생성하고 각각에 대해 sayHello를 호출합니다.

 

메서드 영역을 참조하는 힙 영역의 인스턴스들

 

그 경우, 힙 영역에 Person의 인스턴스인 person1과 person2가 생성되는데, 이때 해당 인스턴스에 메서드까지 가지고 있지 않고,

전체적인 Person 클래스의 내용을 메타데이터의 형태로 메서드 영역에 저장후, 이 정보를 참조해서 메서드를 실행하게 됩니다.

 

즉, Person 클래스가 처음 JVM에 로드될 때, sayHello의 메서드 코드는 메서드 영역에 한번만 배치되며 모든 Person의 인스턴스가 해당 메서드를 공유하여 사용할 수 있습니다.

 

스택 영역의 동작

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public class StackExample {
    
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Start main");
        firstMethod();
        System.out.println("End main");
    }
    
    public static void firstMethod() {
    	System.out.println("Inside firstMethod");
        secondMethod();
        System.out.println("End of firstMethod");
    }
    
    public static void secondMethod() {
        System.out.println("Inside secondMethod");
    }
}

 

위 코드를 실행시키는 자바 어플리케이션이 있다고 가정해봅시다.

이 코드는 main 메서드에서 시작해서 firstMethod를 호출하고, 그 다음 firstMethod 내에서 secondMethod를 호출합니다.

이 코드가 실행될 때 스택 영역의 동작을 살펴봅시다.

스택 영역의 동작 방식

 

1. 프로그램이 실행되고 main 메서드를 위한 첫번째 스택 프레임이 생성됩니다. 이 프레임은 main메서드의 지역 변수와 호출 정보를 담고 있습니다.
2. 이후 main 메서드 내에서 firstMethod가 호출되어 새로운 스택 프레임이 main 프레임 위에 추가됩니다. 이 프레임은 firstMethod의 지역변수와 호출 정보를 담고 있습니다.
3. firstMethod내에서 secondMethod도 호출되면서 해당 스택프레임이 firstMethod위에 생성됩니다. 마찬가지로 해당 메서드의 지역변수와 호출 정보를 담고 있습니다.
4. 이후 secondMethod가 종료되면 스택 프레임에서 해당 스택이 제거됩니다.
5. 그 다음 firstMethod도 종료되어 해당 스택프레임이 제거됩니다.
6. 마지막으로 main 메서드 까지 실행이 종료되면 마지막 남은 스택 프레임이 제거되고 프로그램이 종료됩니다.

이러한 방식으로 메서드 호출 시 해당 실행 컨텍스트를 저장하고 있어서, 메서드 호출과 실행흐름을 관리하기 용이한 구조를 제공합니다.

 

스택 영역과 힙 영역의 동작

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class Book {
    String title;
    int page;
    
    public Book(String title, int page) {
        this.title = title;
        this.page = page;
    }
    
    public void printInfo() {
        System.out.println(title + "은 " + page + "페이지로 구성되어있다"); 
    }
}

public class Library {
    
    public static void main(String[] args) {
        Book book1 = new Book("Do it 자바 프로그래밍", 350);
        Book book2 = new Book("헤드퍼스트 자바", 500);
        
        book1.printInfo();
        book2.printInfo();
    }
}

 

위 코드를 실행시키는 자바 어플리케이션이 있다고 가정했을 때,

해당 코드가 실행되면서 힙 영역과 스택 영역이 어떻게 상호작용할까요?

 

1. main 메서드가 호출되면서 이에 대한 스택 프레임이 스택 영역에 생성됩니다.
2. Book 객체들이 힙 영역에 생성됩니다.
3. book1.printInfo() / book2.printInfo() 메서드 호출 시 각 메서드에 대한 스택 프레임이 스택 영역에 생성됩니다.

이렇게 스택 영역과 힙 영역, 메서드 영역에 필요한 정보들이 저장되어 호출되는 것이죠!