예제로 배우는 결국 알아야하는 JVM 메모리 구조(순한맛)

 

개요

 

 

매운맛은 하단에

2024.06.25 - [Java] - 자바가상머신의 메모리 구조: JVM Runtime Data Area

자바가상머신의 메모리 구조: JVM Runtime Data Area

2024.06.25 - [Java] - JVM스택메모리 구조 이해를 위한 바이트코드 예시

JVM스택메모리 구조 이해를 위한 바이트코드 예시

 

클래스(static) 변수, 인스턴스 변수, 지역 변수의 특성 및 예제를 이전 포스팅에서 살펴 보았는데

 

왜 메모리 영역에서 어떻게 관리되는지까지 알아야할까요?

크게 두가지인데

 

 

1. 나는 성능충이다

 

• 메모리 관리 원리를 알면 불필요한 자원 낭비를 줄일 수 있다.
• 예를 들어, static 변수는 클래스 로드 시 한 번만 메모리에 올라가는데, 이를 잘못 사용하면 객체마다 중복된 메모리 낭비가 발생한다.
• 알고리즘 설계에서도 메모리 초과를 방지하려면 스택, 힙 사용을 최적화할 수 있어야 한다.
• 한정된 리소스로 최대의 퍼포먼스를 끌어내는 진정한 성능충이라면 메모리 구조는 필수 학습 항목이다.

아래 코드를 봐보자

public class PerformanceExample {
    static int sharedCounter = 0; // 클래스 변수 (메모리 1회 할당)
    int instanceCounter = 0;     // 인스턴스 변수 (객체마다 힙 메모리에 따로 할당)

    public void incrementCounters() {
        sharedCounter++;         // 모든 객체에서 공유
        instanceCounter++;       // 객체별로 독립적
    }

    public static void main(String[] args) {
        PerformanceExample obj1 = new PerformanceExample();
        PerformanceExample obj2 = new PerformanceExample();

        obj1.incrementCounters();
        obj2.incrementCounters();

        System.out.println("Static Counter: " + sharedCounter); // 출력: 2
        System.out.println("Instance Counter (obj1): " + obj1.instanceCounter); // 출력: 1
        System.out.println("Instance Counter (obj2): " + obj2.instanceCounter); // 출력: 1
    }
}

 

• sharedCounter는 모든 객체가 공유하는 값이므로 힙 메모리 낭비를 줄임.
• 하지만 instanceCounter는 객체마다 따로 생성되므로 힙 메모리를 더 차지한다.
• 이런 차이를 이해하면 더 효율적인 메모리 관리를 할 수 있다. (알고리즘 풀이때 static 해두고 초기화해서 쓰면 굳)

 

 

 

2. 오류를 디버깅하기 쉽다.(결국 원리를 알아야 고장난걸 고침)

 

• NullPointerException, OutOfMemoryError 같은 오류의 근본 원인을 알기 위해선 메모리 구조를 이해해야 한다.
• 예를 들어, 지역 변수는 스택에 저장되고 메서드 실행이 끝나면 사라지기 때문에, 이를 잘못 참조하면 오류를 뜬다.

public class DebugExample {
    static String sharedData = "Shared";
    String instanceData;

    public void printData() {
        String localData = "Local"; // 지역 변수 (스택에 저장됨)
        System.out.println("Local Data: " + localData);
        System.out.println("Instance Data: " + instanceData); // NullPointerException 가능성
        System.out.println("Shared Data: " + sharedData);
    }

    public static void main(String[] args) {
        DebugExample example = new DebugExample();
        example.printData(); // instanceData가 초기화되지 않아 NullPointerException 발생 가능

        DebugExample.sharedData = "Modified";
        DebugExample anotherExample = new DebugExample();
        anotherExample.printData(); // sharedData는 모든 객체에서 수정된 값을 공유
    }
}

• stanceData는 초기화되지 않았으므로 NullPointerException이 발생 가능.
• sharedData는 static으로 선언되어 모든 객체에서 값이 공유됨.
• 이런 메모리 동작을 이해하면 문제 원인을 빠르게 찾아 고칠 수 있다.

 

 

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코드 분석

public class Car {
	static double speed = 0;
	String color;
	void drive(String to) {
		System.out.println("Driving to " + to);
		String msg = "Driving at " + speed + " km/h";
		for (int i = 0; i < 3; i++) {
			System.out.println(msg);
		}
	}
}


public class CarDriveTest {
	public static void main(String[] args) {
		Car myCar = new Car();
		myCar.color = "Red";
		System.out.println("My car is " + myCar.color);
		myCar.drive("New York");
		
		Car yourCar = new Car();
		yourCar.color = "Blue";
		System.out.println("Your car is " + yourCar.color);
		yourCar.drive("Chicago");
		
		Car.speed = 100;
		myCar.drive("New York2");
		yourCar.drive("Chicago2");
		
	}
}

 

 

클래스 변수 (static 키워드)

static double speed = 0;

• 프로그램 실행 시 클래스가 로드될 때 초기화 되어 메모리에 한 번 할당되며, 모든 객체가 공유한다.
• 클래스 변수는 메타스페이스(Metaspace)에 할당된다.

인스턴스 변수

String color;

• 인스턴스 변수는 new Car() 호출 시 힙(Heap) 메모리에 할당됩니다.
• 각 객체(myCar, yourCar)가 자신의 color 인스턴스 변수가 각 객체 내부의 힙 메모리에 존재한다.

 

지역 변수

String msg = "Driving at " + speed + " km/h";
int i = 0;

• 지역 변수는 메서드 실행 중 스택(Stack) 메모리에 할당됩니다.
• drive() 메서드의 매개변수 to와 반복문 내 i 변수도 스택에 저장됩니다.
• 메서드 실행이 끝나면 지역 변수는 사라집니다.

 

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클래스로드 - 인스턴스 생성 메모리 동작

 

클래스 로드 단계

• JVM은 Car 클래스를 메타스페이스에 로드합니다.
• speed 변수가 메타스페이스에 생성되고 초기값 0.0을 가집니다.

인스턴스 생성

Car myCar = new Car();

• new Car() 호출 시 힙에 객체가 생성됩니다.
• myCar.color의 초기값은 null로 설정됩니다.

인스턴스 변수 문자열 참조

main.Car myCar = new Car();
myCar.color = "Red";

• "Red" 는 문자열 리터럴로, 클래스로더가 읽을때 String Constant Pool (메타 스페이스에 인접해서 적재하기에 용이하다.)
• myCar 객체의 힙 메모리 내부에 있던 초기값 null 이 "Red" 문자열 참조로 대체된다.
• myCar 은 스택에 존재하는 로컬 변수로서, 힙에 있는 Car 객체 주소를 참조한다.

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메서드 호출과 스택 내부 지역변수

 

메서드 호출과 스택 내 지역 변수

System.out.println("My car is " + myCar.color);

• "My car is "와 myCar.color의 문자열 결합 과정에서 새 String 객체가 힙에 생성될 수 있다
• println 호출 시, 내부적으로 PrintStream 객체(System.out)가 사용된다.
• 스택 프레임에서 임시 지역 변수(결합된 문자열 주소)가 잡힐 수 있고, 메서드 실행이 끝나면 해제된다.

myCar.drive("New York");

 

• drive("New York") 호출 시 새로운 스택 프레임이 생성된다.
  • this → myCar 객체 주소(힙에 있는)를 스택에 참조(주소) 형태로 저장
  • 매개변수 to → "New York" 참조
• System.out.println("Driving to " + to);에서 "Driving to " + "New York"에 대한 문자열 처리가 이루어진다(임시 객체 또는 컴파일 최적화).
• msg = "Driving at " + speed 구문에서 "Driving at " 문자열을 String Constant Pool에서 가져오고, speed(현재 0.0)과 결합해 임시 문자열을 힙에 생성할 수 있다.
• for (int i = 0; i < 3; i++) 구문 안에서 i는 스택에 저장된다. 각 반복마다 System.out.println(msg)가 실행되고, msg는 이미 만들어진 임시 문자열을 참조한다.
• drive 메서드가 종료되면 스택 프레임은 해제된다.

 

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정적 필드 변경

 

정적 필드 변경

Car.speed = 100;

• 이미 메타스페이스에 있던 Car 클래스의 speed 값이 0에서 100으로 변경된다.
• 이는 모든 Car 인스턴스가 공유한다.

 

 

 

 

글을 읽으면서 따라왔나요? 그럼 또다시 한번 복습을 해봅시다.

 

코드의 배치/실행 순서에 따라서 흐름 정리를 먼저 하고, 이후에 그래서 각 메모리에는 어떤 정보들이 저장되었는지 또 한번 더 정리합시다.

 

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* 흐름 최종정리

1. 클래스 로딩

• Car와 CarDriveTest 클래스가 JVM에 로드되며 메타스페이스에 클래스 메타데이터 저장.
  • 정적 필드 Car.speed는 초기값 0으로 설정(메타스페이스/Method Area).

 

2. main 메서드 실행

(1) main 메서드 시작

• JVM이 스택 프레임 생성.
• 지역 변수 args 배열은 힙에 저장되고 스택에서 참조.

(2) myCar 객체 생성

• 힙:
  • Car 객체(myCar) 생성.
  • myCar.color → 초기값 null.
• 스택:
  • 지역 변수 myCar는 힙의 Car 객체 참조.
• "Red" 문자열:
  • String Pool에 저장.
  • myCar.color → "Red" 참조.

(3) myCar.drive("New York") 호출

• 스택:
  • 새로운 스택 프레임 생성.
  • this → 힙의 myCar 객체 참조.
  • to → "New York"(String Pool 참조).
• 출력:
  • "Driving to New York".
  • "Driving at 0.0 km/h" 3번 출력.

(4) yourCar 객체 생성

• 힙:
  • 새 Car 객체(yourCar) 생성.
  • yourCar.color → 초기값 null.
• 스택:
  • 지역 변수 yourCar는 힙의 Car 객체 참조.
• "Blue" 문자열:
  • String Pool에 저장.
  • yourCar.color → "Blue" 참조.

(5) yourCar.drive("Chicago") 호출

• 스택:
  • 새로운 스택 프레임 생성.
  • this → 힙의 yourCar 객체 참조.
  • to → "Chicago"(String Pool 참조).
• 출력:
  • "Driving to Chicago".
  • "Driving at 0.0 km/h" 3번 출력.

 

 

3. 정적 필드 업데이트

 

 

• 메타스페이스:
  • Car.speed 값이 0 → 100으로 변경.
• 모든 Car 객체가 이 값을 공유.

 

4. 메서드 재호출

(1) myCar.drive("New York2")

• 스택:
  • 새로운 스택 프레임 생성.
  • this → 힙의 myCar 객체 참조.
  • to → "New York2"(String Pool 참조).
• 출력:
  • "Driving to New York2".
  • "Driving at 100.0 km/h" 3번 출력.

(2) yourCar.drive("Chicago2")

• 스택:
  • 새로운 스택 프레임 생성.
  • this → 힙의 yourCar 객체 참조.
  • to → "Chicago2"(String Pool 참조).
• 출력:
  • "Driving to Chicago2".
  • "Driving at 100.0 km/h" 3번 출력.

 

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* 메모리 내부 최종정리

 

1. 메타스페이스

• 클래스 정보:
  • Car, CarDriveTest 메타데이터.
• 정적 필드:
  • Car.speed → 초기값 0 → 최종값 100.
• String Pool:
  • "Red", "Blue", "New York", "Chicago", "New York2", "Chicago2", "Driving at ".

 

2. 힙

• 두 개의 Car 객체:
  • myCar.color → "Red"(String Pool 참조).
  • yourCar.color → "Blue"(String Pool 참조).

 

3. 스택

• main 메서드:
  • 지역 변수:
    • myCar → 힙의 첫 번째 Car 객체 참조.
    • yourCar → 힙의 두 번째 Car 객체 참조.
• drive 메서드 호출:
  • this → 힙의 호출된 Car 객체 참조.
  • to → String Pool의 문자열 참조.

 

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출력값 결과

My car is Red
Driving to New York
Driving at 0.0 km/h
Driving at 0.0 km/h
Driving at 0.0 km/h
Your car is Blue
Driving to Chicago
Driving at 0.0 km/h
Driving at 0.0 km/h
Driving at 0.0 km/h
Driving to New York2
Driving at 100.0 km/h
Driving at 100.0 km/h
Driving at 100.0 km/h
Driving to Chicago2
Driving at 100.0 km/h
Driving at 100.0 km/h
Driving at 100.0 km/h

 

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마무리

 

이번 포스팅을 통해 JVM 메모리 구조를 상세히 살펴보았고, 예제인 Car 클래스의 실행 흐름을 통해 메모리 관리가 코드 동작에 어떻게 영향을 미치는지 확인했습니다.

 

다시 정리하면

1. 클래스 변수 (static)는 프로그램 실행 중 한 번만 메모리에 로드되며, 모든 인스턴스에서 공유됩니다.
2. 인스턴스 변수는 객체가 생성될 때 힙에 따로 저장되므로, 객체마다 독립적으로 관리됩니다.
3. 지역 변수는 메서드 호출 시 스택에 저장되며, 메서드가 끝나면 자동으로 해제됩니다.
4. 문자열 리터럴은 String Pool에 저장되어 중복을 줄이고 메모리 사용을 최적화합니다.

 

마무리 하면서, 만약 main 메서드가 종료된 이후, 힙에 있던 myCar, yourCar 객체는 더 이상 쓰이지 않는데 비효율적(자원낭비) 이지 않을까요?

그래서 자바에서는 이걸 자동으로 치우는 역할을 하는 관리 시스템이 있습니다. 가비지 컬렉터(GC)라는 것이 메모리를 자동으로 관리해주는데 다음에 알아봅시다

 

 

매운맛으로 알아보고 싶다면 ⬇️

2024.07.20 - [Java] - 자바 가비지 컬렉터(GC)의 발전; 시리얼 컬렉터부터 ZGC까지

자바 가비지 컬렉터(GC)의 발전; 시리얼 컬렉터부터 ZGC까지