자바 메모리 구조와 static

자바 메모리 구조

자바의 메모리 구조는 크게 메서드 영역, 스택 영역, 힙 영역으로 나눌 수 있다.
- 메서드 영역 : 클래스 정보를 보관한다.
- 스택 영역 : 실제 프로그램이 실행되는 영역으로, 메서드를 실행할 때마다 하나씩 쌓인다.
- 힙 영역 : 객체(인스턴스)가 생성되는 영역으로, new 명령어를 사용하면 이 영역을 사용한다.

메서드 영역 : 프로그램을 실행하는 데 필요한 공통 데이터를 관리한다. 이 영역은 프로그램의 모든 영역에서 공유한다.
- 클래스 정보 : 클래스의 실행 코드(바이트 코드), 필드, 메서드와 생성자 등 모든 실행 코드가 존재한다.
- static 영역 : static 변수들을 보관한다.
- 런타임 상수 풀 : 프로그램을 실행하는 데 필요한 공통 리터럴 상수를 보관한다.
스택 영역 : 자바 실행 시, 하나의 실행 스택이 생성되고, 각 스택 프레임은 지역 변수, 중간 연산 결과, 메서드 호출 정보 등을 포함한다.
- 스택 프레임 : 스택 영역에 쌓이는 박스가 하나의 스택 프레임이다. 메서드를 호출할 때마다 하나의 스택 프레임이 쌓이고, 메서드가 종료되면 해당 스택 프레임이 제거된다.
- 스택 영역은 각 쓰레드별로 하나의 실행 스택이 생성된다. 따라서 쓰레드 수 만큼 스택 영역이 생성된다.
힙 영역 : 객체(인스턴스)와 배열이 생성되는 영역으로, 가비지 컬렉션(GC)이 이루어지는 주요 영역이다. 더 이상 참조되지 않는 객체는 GC에 의해 제거된다.

자바에서 특정 클래스로 100개의 인스턴스를 생성하면, 힙 메모리에는 100개의 인스턴스가 생긴다.
각각의 인스턴스는 내부에 변수와 메서드를 가진다.
같은 클래스로부터 생성된 객체라도 인스턴스 내부의 변수 값은 서로 다를 수 있지만, 메서드는 공통된 코드를 공유한다.
따라서 객체가 생성될 때 인스턴스 변수에는 메모리가 할당되지만, 메서드에 대한 새로운 메모리 할당은 없다. 메서드는 메서드 영역에서 공통으로 관리되고 실행된다.
인스턴스의 메서드를 호출하면 실제로는 메서드 영역에 있는 코드를 불러서 실행하는 것이다.

스택 영역

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("main start");
        method1(10);
        System.out.println("main end");
    }

    static void method1(int m1) {
        System.out.println("method1 start");
        int cal = m1 * 2;
        method2(cal);
        System.out.println("method1 end");
    }

    static void method2(int m2) {
        System.out.println("method2 start");
        System.out.println("method2 end");
    }
}

위 코드 실행 결과는 다음과 같다.

main start
method1 start
method2 start
method2 end
method1 end
main end

호출 그림

처음 자바 프로그램을 실행하면 main()을 실행한다. 이때 main()을 위한 스택 프레임이 하나 생성된다.
- main() 스택 프레임은 내부에 args라는 매개변수를 가진다.
main()은 method1()을 호출하고, method1() 스택 프레임이 생성된다.
- method1()은 m1, cal 지역 변수(매개변수 포함)를 가지므로 해당 변수들이 스택 프레임에 포함된다.
method1()은 method2()를 호출하고, method2() 스택 프레임이 생성된다.
- method2()는 m2 지역 변수(매개변수 포함)를 가지므로 해당 지역 변수가 스택 프레임에 포함된다.

종료 그림

method2()가 종료되면 method2() 스택 프레임이 제거되고, 매개변수 m2도 제거된다. 프로그램은 이전 스택 프레임인 method1()로 돌아가 method2()를 호출한 시점 다음 코드를 실행한다.
method1()이 종료되면 method1() 스택 프레임이 제거되고, 지역 변수(매개변수 포함) m1 , cal도 제거된다. 프로그램은 이전 스택 프레임인 main()으로 돌아간다.
main()이 종료되면 더 이상 호출할 메서드도 없고, 스택도 완전히 비워졌다. 자바는 프로그램을 정리하고 종료한다.

정리

자바는 스택 영역을 사용해서 메서드 호출과 지역 변수(매개변수 포함)를 관리한다.
메서드를 계속 호출하면 호출한 만큼 스택 프레임이 계속 쌓인다.
스택 프레임이 종료되면 지역 변수도 함께 제거된다.
스택 프레임이 모두 제거되면 프로그램도 종료된다.

스택 영역과 힙 영역

스택 영역과 힙 영역이 함께 사용되는 경우

public class Data {
    private int value; 
    
    public Data(int value) {
         this.value = value;
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("main start");
        method1();
        System.out.println("main end");
    }

    static void method1() {
        System.out.println("method1 start");
        Data data = new Data(10);
        method2(data);
        System.out.println("method1 end");
    }

    static void method2(Data data2) {
        System.out.println("method2 start");
        System.out.println("data2.value = " + data2.getValue());
        System.out.println("method2 end");
    }
}

처음 main() 메서드를 실행하고, main() 스택 프레임이 생성된다.
main()에서 method1()을 호출하고, method1() 스택 프레임이 생성된다.
method1()은 지역 변수로 Data data를 가지고 있다. 이 지역 변수도 스택 프레임에 포함된다.
methdo1()은 new를 사용해서 힙 영역에 인스턴스를 생성하고, 참조값을 data에 보관한다.

method1()은 method2()를 호출하면서 매개변수에 참조값을 넘긴다.
이제 method1()에 있는 data와 method2()에 있는 data2 지역 변수(매개변수 포함)는 둘 다 같은 인스턴스를 참조한다.

method2()가 종료되고, method2()의 스택 프레임이 제거되면서 매개변수 data2도 함께 제거된다.

method1()이 종료되고, method1()의 스택 프레임이 제거되면서 지역 변수 data도 함께 제거된다.

method1()이 종료된 지후의 상태를 보면 이제 힙 영역에 있는 인스턴스를 참조하는 곳은 없다.
참조하는 곳이 없다는 것은 사용되는 곳이 없다는 것이다. 결과적으로 프로그램에서 더는 사용하지 않는 객체가 됐고, 이런 객체는 메모리만 낭비하게 된다.
GC는 이렇게 참조가 모두 사라진 인스턴스를 찾아서 메모리에서 제거한다.

참고로, 힙 영역 외부가 아닌 힙 영역 안에서만 인스턴스끼리 서로 참조하는 경우가 있는데 이런 경우도 GC의 대상이 된다.

static 변수

멤버 변수(필드)의 종류
- 인스턴스 변수 : static이 붙지 않은 멤버 변수
  - static이 붙지 않은 멤버 변수는 인스턴스를 생성해야 사용할 수 있고, 인스턴스에 소속되어 있다. 따라서 인스턴스 변수라 한다.
  - 인스턴스 변수는 인스턴스를 만들 때마다 새로 만들어진다.
- 클래스 변수 : static이 붙은 멤버 변수
  - 클래스 변수, 정적 변수, static 변수 등으로 부른다.
  - static이 붙은 멤버 변수는 인스턴스와 무관하게 클래스에 바로 접근해서 사용할 수 있고, 클래스 자체에 소속되어 있다. 따라서 클래스 변수라 한다.
  - 클래스 변수는 자바 프로그램을 시작할 때 딱 1개 만들어진다. 인스턴스와는 다르게 여러 곳에서 공유하는 목적으로 사용된다.

변수 생명주기

지역 변수(매개변수 포함)
- 지역 변수는 스택 영역에 있는 스택 프레임 안에 보관된다. 메서드가 종료되면 스택 프레임도 제거 되는데 이때 해당 스택 프레임에 포함된 지역 변수도 함께 제거된다.
- 따라서 지역 변수는 생존 주기가 짧다.
인스턴스 변수
- 인스턴스에 있는 멤버 변수를 인스턴스 변수라 하는데, 인스턴스 변수는 힙 영역을 사용한다.
- 힙 영역은 GC가 발생하기 전까지는 생존하기 때문에 지역 변수보다는 생존 주기가 길다.
클래스 변수
- 클래스 변수는 메서드 영역의 static 영역에 보관되는 변수이다.
- 메서드 영역은 프로그램 전체에서 사용하는 공용 공간이다.
- 클래스 변수는 해당 클래스가 JVM에 로딩 되는 순간 생성되고, JVM이 종료될 때까지 생명주기가 이어진다.
- 따라서 가장 긴 생명주기를 가진다.

힙 영역에 생성되는 인스턴스 변수는 동적(dynamic)으로 생성되고, 제거된다. 반면에 static 정적 변수는 프로그램 실행 시점에 딱 한 번 만들어지고, 프로그램 종료 시점에 제거된다. static 뜻 그대로 정적 변수인 것이다.

static 메서드

멤버 메서드의 종류
- 인스턴스 메서드 : static이 붙지 않은 멤버 메서드
  - static이 붙지 않은 멤버 메서드는 인스턴스를 생성해야 사용할 수 있고, 인스턴스에 소속되어 있다. 따라서 인스턴스 메서드라 한다.
- 클래스 메서드 : static이 붙은 멤버 메서드
  - static이 붙은 멤버 메서드는 인스턴스와 무관하게 클래스에 바로 접근해서 사용할 수 있고, 클래스에 자체에 소속되어 있다. 따라서 클래스 메서드라 한다.
  - 클래스 메서드, 정적 메서드, static 메서드 등으로 부른다.

정적 메서드는 객체 생성이 필요 없이 메서드의 호출만으로 필요한 기능을 수행할 때 주로 사용한다. 예를 들어 간단한 메서드 하나로 끝나는 유틸리티성 메서드에 자주 사용한다.(대표적으로 자바의 Math 클래스가 있다.)

인스턴스 생성 없이 실행가는 가장 대표적인 메서드가 main() 메서드이다. main()메서드는 프로그램을 시작하는 시작점이 되는데, main() 메서드가 static이기 때문에 객체를 생성하지 않아도 main() 메서드가 작동하는 것이다.

정적 메서드는 정적 메서드만 호출할 수 있다.(static -> instance : 불가능, instance -> static : 가능) 더 정확히는 정적 메서드는 같은 클래스 내부에서 정적 메서드만 호출할 수 있다. 따라서 정적 메서드인 main() 메서드가 같은 클래스에서 메서드를 호출하려면 메서드를 정적으로 만들어야 한다.

내용 참고 : 인프런 - 김영한의 실전 자바 - 기본편

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Last updated 10 days ago