자바의 메모리 구조

자바의 메모리 구조

 

자바 어플리케이션의 성능을 확인하고 개선하기 위해선, 자바 메모리 구조에 대한 이해가 필요합니다.

자바의 메모리 관리를 잘 하기만 하더라도 어플리케이션이 더욱 효율적으로 실행 될 수 있죠!

 

자바의 메모리 구조

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JVM 메모리의 대표적 영역

 

자바의 메모리 구조는 크게 3가지로 나눌 수 있습니다.

1. 메서드 영역: 이 영역은 모든 스레드가 공유하는 메모리 영역으로, 클래스 수준의 정보(클래스 로더에 의해 로드된 클래스와 인터페이스의 메타데이터), 정적 변수를 저장하는 static 영역, 상수를 저장하는 Constant Pool 로 이루어져 있습니다. 이 영역은 어플리케이션이 실행되는 동안 잘 변하지 않는 정보를 저장하는데 사용합니다.
2. 스택 영역: 자바 어플리케이션 실행 시, 어플리케이션 내의 스레드마다 각 스레드의 스택이 존재하게 되는데, 해당 스레드 안에서 메서드가 호출될 때 마다, 스텍 프레임이 생성되어 로컬 변수와 메서드 호출에 필요한 정보를 저장합니다. 이후 메서드가 종료되면 해당 스택 프레임은 스택에서 제거됩니다.
3. 힙 영역: 자바 어플리케이션의 메모리 영역 중 가장 큰 영역을 차지합니다. 이 영역은 객체의 인스턴스 및 배열을 저장하는데 사용됩니다. 이 안에서 가비지 컬렉터가 GC를 통해 해당 객체들의 생명주기를 관리합니다.

그 외에도, 스레드가 실행 중인 JVM의 주소를 저장하는 프로그램 카운터 영역 / 자바가 아닌 다른 언어로 작성된 코드를 실행하기 위한 네이티브 메서드 스택 영역 등이 있습니다.

 

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!