Java

Java - 메모리 구조와 static이란?

김영한님의 Java 강의로 기초다지기 - 메모리 구조와 static이란?

Posted by Warner on December 14, 2023

자바 메모리 구조

자바 메모리 구조 - 비유 memory.png

자바의 메모리 구조는 크게 메서드 영역, 스택 영역, 힙 영역 3개로 나눌 수 있다.

  • 메서드 영역: 클래스 정보를 보관한다. 이 클래스 정보가 붕어빵 틀이다.
  • 스택 영역: 실제 프로그램이 실행되는 영역이다. 메서드를 실행할 때 마다 하나씩 쌓인다.
  • 힙 영역: 객체(인스턴스)가 생성되는 영역이다. new 명령어를 사용하면 이 영역을 사용한다. 쉽게 이야기해서 붕어빵 틀로부터 생성된 붕어빵이 존재하는 공간이다. 참고도 배열도 이 영역에 생성된다.

자바 메모리 구조 - 실제 memory2.png

  • 메서드 영역(Method Area) : 메서드 영역은 프로그램을 실행하는데 필요한 공통 데이터를 관리한다. 이 영역은 프로그램의 모든 영역에서 공유한다.
    • 클래스 정보: 클래스의 실행 코드(바이트 코드), 필드, 메서드와 생성자 코드등 모든 실행 코드가 존재한다.
    • static 영역: static 변수들을 보관한다.
    • 런타임 상수 풀: 프로그램을 실행하는데 필요한 공통 리터럴 상수를 보관한다. 예를 들어서 프로그램에 "hello"라는 리터럴 문자가 있으면 이런 문자를 공통으로 묶어서 관리한다. 이 외에도 프로그램을 효율적으로 관리하기 위한 상수들을 관리한다.
  • 스택 영역(Stack Area) : 자바 실행 시, 하나의 실행 스택이 생성된다. 각 스택 프레임은 지역 변수, 중간 연산 결과, 메서드 호출 정보 등을 포함한다.
    • 스택 프레임: 스택 영역에 쌓이는 네모 박스가 하나의 스택 프레임이다. 메서드를 호출할 때 마다 하나의 스택 프레임이 쌓이고, 메서드가 종료되면 해당 스택 프레임이 제거된다.
  • 힙 영역(Heap Area) : 객체(인스턴스)와 배열이 생성되는 영역이다. 가비지 컬렉션(GC)이 이루어지는 주요 영역이며, 더 이상 참조되지 않는 객체는 GC에 의해 제거된다.

참고: 스택 영역은 더 정확히는 각 쓰레드별로 하나의 실행 스택이 생성된다. 따라서 쓰레드 수 만큼 스택 영역이 생성된다. 지금은 쓰레드를 1개만 사용하므로 스택 영역도 하나이다. 쓰레드에 대한 부분은 멀티 쓰레드를 학습해야 이해할 수 있다.

메서드 코드는 메서드 영역에 memory3.png

자바는 특정 클래스로 100개의 인스턴스를 생성하면, 힙 메모리에 100개의 인스턴스가 생긴다. 각각의 인스턴스는 내부에 변수와 메서드를 가진다. 같은 클래스로 부터 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 실행한다.

정리하면 인스턴스의 메서드를 호출하면 실제로는 메서드 영역에 있는 코드를 불러서 수행한다.

스택과 큐 자료 구조

자바 메모리 구조 중 스택 영역에 대해 알아보기 전에 먼저 스택(Stack)이라는 자료 구조에 대해서 알아보자.

스택 구조 다음과 같은 1, 2, 3 이름표가 붙은 블럭이 있다고 가정하자. stack1.png

이 블럭을 다음과 같이 생긴 통에 넣는다고 생각해보자. 위쪽만 열려있기 때문에 위쪽으로 블럭을 넣고, 위쪽으로 블럭을 빼야 한다. 쉽게 이야기해서 넣는 곳과 빼는 곳이 같다. stack2.png

블럭은 1->2->3 순서대로 넣을 수 있다.

이번에는 넣은 블럭을 빼자. stack3.png

블럭을 빼려면 위에서 부터 순서대로 빼야한다.
블럭은 3->2->1 순서로 뺼 수 있다.

정리하면 다음과 같다.
1(넣기)->2(넣기)->3(넣기)->3(빼기)->2(빼기)->1(빼기)

후입 선출(LIFO, Last In First Out)

여기서 가장 마지막에 넣은 3번이 가장 먼저 나온다. 이렇게 나중에 넣은 것이 가장 먼저 나오는 것을 후입 선출이라 하고, 이런 자료 구조를 스택이라 한다.

선입 선출(FIFO, First In First Out)

후입 선출과 반대로 가장 먼저 넣은 것이 가장 먼저 나오는 것을 선입 선출이라 한다. 이런 자료 구조를 큐(Queue)라 한다.

큐(Queue) 자료 구조 Queue.png

정리하면 다음과 같다.
1(넣기)->2(넣기)->3(넣기)->1(빼기)->2(빼기)->3(빼기)

스택 영역

public class JavaMemoryMain1 {
    public static void main(String[] args) {

        System.out.println("JavaMemoryMain1.main start");
        method1(10);
        System.out.println("JavaMemoryMain1.main end");
    }

    static void method1(int m1) {
        System.out.println("JavaMemoryMain1.method1 start");
        int cal = m1 * 2;
        method2(cal);
        System.out.println("JavaMemoryMain1.method1 end");
    }

    static void method2(int m2) {
        System.out.println("JavaMemoryMain1.method2 start");
        System.out.println("JavaMemoryMain1.method2 end");
    }
}

실행 결과

JavaMemoryMain1.main start
JavaMemoryMain1.method1 start
JavaMemoryMain1.method2 start
JavaMemoryMain1.method2 end
JavaMemoryMain1.method1 end
JavaMemoryMain1.main end

호출 그림 stack4.png

종료 그림 stack5.png

정리

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

static

용어정리

public class Data3 {
    public String name;
    public static int count;
}

예제 코드에서 name, count는 둘다 멤버 변수이다.
멤버 변수는(필드)는 static이 붙은 것과 아닌 것에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.

멤버 변수(필드)의 종류

  • 인스턴스 변수 : static이 붙지 않은 멤버 변수, 예)name
    • static이 붙지 않은 멤버 변수는 인스턴스를 생성해야 사용할 수 있고, 인스턴스에 소속되어 있다. 따라서 인스턴스 변수라 한다.
    • 인스턴스 변수는 인스턴스를 만들 때 마다 새로 만들어진다.
  • 클래스 변수 : statice 이 붙은 멤버 변수, 예)count
    • 클래스 변수, 정적 변수, statice 변수등으로 부른다. 용어를 모두 사용하니 주의하자
    • 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 1개가 만들어진다. 인스턴스와는 다르게 보통 여러곳에서 공유하는 목적으로 사용된다.

변수와 생명주기

  • 지역변수(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 한다. 인스턴스 변수는 힙 영역을 사용한다. 힙 영역은 GC(가비지 컬렉션)가 발생하기 전까지는 생존하기 때문에 보통 지역 변수보다 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 생성된다. 그리고 JVM이 종료될 때 까지 생명주기가 이어진다. 따라서 가장 긴 생명주기를 가진다.

static 이 정적이라는 이유는 바로 여기에 있다. 힙 영역에 생성되는 인스턴스 변수는 동적으로 생성되고, 제거된다. 반면에 static인 정적 변수는 거의 프로그램 실행 시점에 딱 만들어지고, 프로그램 종료 시점에 제거된다. 정적 변수는 이름 그대로 정적이다.

static 메서드

public class DecoUtil2 {
    public static String deco(String str) {
        String result = "*" + str + "*";
        return result;
    }
}

클래스 메서드
메서드 앞에도 static을 붙일 수 있다. 이것을 정적 메서드 또는 클래스 메서드라 한다. 정적 메서드라는 용어는 static이 정적이라는 뜻이기 때문이고, 클래스 메서드라는 용어는 static 이 정적이라는 뜻이기 때문이고, 용어는 인스턴스 생성 없이 마치 클래스에 있는 메서드를 바로 호출하는 것 처럼 느껴지기 때문이다.

인스턴스 메서드
static 이 붙지 않은 메서드는 인스턴스를 생성해야 호출할 수 있다. 이것을 인스턴스 메서드라 한다.

용어 정리
멤버 메서드의 종류

  • 인스턴스 메서드 : static 이 붙지 않은 멤버 메서드
  • 클래스 메서드 : static 이 붙은 멤버 메서드
    • 클래스 메서드, 정적 메서드, static 메서드등으로 부른다.

정적 메서드 활용
정적 메서드는 객체 생성이 필요 없이 메서드의 호출만으로 필요한 기능을 수행할 때 주로 사용한다. 예를 들어 간단한 메서드 하나로 끝나는 유틸리티성 메서드에 자주 사용한다. 수학의 여러가지 기능을 담은 클래스를 만들 수 있는데, 이 경우 인스턴스 변수 없이 입력한 값을 계산하고 반환하는 것이 대부분이다. 이럴 때 정적 메서드를 사용해서 유틸리티성 메서드를 만들면 좋다.

CATALOG
    FEATURED TAGS
    Java Github Spring
    FRIENDS