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Java

자바의 메모리 영역과 관리

update: 17 September 2020

자바의 메모리 영역

영역
동의어
저장요소
Method Area static area
class area
data area		 static 변수(class 변수)
Stack Area java stack
JVM 스택 영역		 지역변수
매개변수
Heap Area 힙 영역 객체(인스턴스)
배열		 
/* class 영역 */
public class Member {//객체
    /* 필드 */
    String name;//멤버 변수
    static int money = 20;//static 변수(=전역변수)->Method영역

    /* 메서드 */
    public void updateMoney() {
        int interest = 5; // 지역 변수->stack영역
        money += interest;
    }
    /* 메서드 */
    public void changeName(String name) {//changeName(매개변수)->stack영역
        this.name = name;
    }
    
    public static void main(String[] args) {//static 메서드->Method영역

        Member member1 = new Member();//클래스 객체(=인스턴스)->Heap영역
        /*
          레퍼런스 변수.멤버 변수
          레퍼런스 변수.메서드()
        */
        member1.name = "홍길동";
        member1.changeName("라이언");
        member1.updateMoney();
        /*
            money는 전역 변수이기 때문에 어디서든 호출이 가능합니다.
        */
        System.out.println(member1.name+" "+money);//라이언 25

        String str1 = "라이언";//상수풀 저장
        String str2 = "라이언";//상수풀 저장
        String str3 = new String("라이언");//객체->힙영역
        System.out.println(str1==str2);//true
        System.out.println(str1==str3);//false, 저장 영역이 서로 다르기 때문.
    }
}

Method Area(Static Area)

Stack

Stack 영역의 활용(코드 예시)

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        int argument = 4;
        argument = someOperation(argument);
    }

    private static int someOperation(int param){
        int tmp = param * 3;
        int result = tmp / 2;
        return result;
    }
}

참고로 public static void main(String[] args)에서 args 배열은 무시한다. 아래에서 설명하게 될 Heap 의 동작과정을 알면 String[] args 는 어떻게 동작하는지도 알 수 있다.

int argument = 4;

스택에 argument 라는 변수명으로 공간이 할당되고, argument 변수의 타입은 원시타입이므로 이 공간에는 실제 4 라는 값이 할당된다. 현재 스택의 상태는 아래와 같다.

java-memory_management_stack_1

argument = someOperation(argument);

someOperation() 함수가 호출된다. 호출될때 인자로 argument 변수를 넘겨주며 scope 가 someOperation() 함수로 이동한다. scope 가 바뀌면서 기존의 argument 라는 값은 scope 에서 벗어나므로 사용할 수 없다. 이때 인자로 넘겨받은 값은 파라미터인 param 에 복사되어 전달되는데, param 또한 원시타입이므로 stack 에 할당된 공간에 값이 할당된다. 현재 스택의 상태는 아래와 같다.

java-memory_management_stack_2

int tmp = param * 3;
int result = tmp / 2;

java-memory_management_stack_3

다음으로, 닫는괄호 } 가 실행되어 someOperation() 함수호출이 종료되면 호출함수 scope 에서 사용되었던 모든 지역변수들은 stack 에서 pop 된다. 함수가 종료되어 지역변수들이 모두 pop 되고, 함수를 호출했던 시점으로 돌아가면 스택의 상태는 아래와 같이 변한다.

java-memory_management_stack_4

argument 변수는 4 로 초기화 되었지만, 함수의 실행결과인 6 이 기존 argument 변수에 재할당된다. 물론 함수호출에서 사용되었던 지역변수들이 모두 pop 되기 전에 재할당 작업이 일어날 것이다.

그리고 main() 함수도 종료되는 순간 stack 에 있는 모든 데이터들은 pop 되면서 프로그램이 종료된다.

Heap

레퍼런스(Reference) 변수란?

메모리상에 생성된 클래스를 클래스 객체 혹은 인스턴스(instance) 라고 합니다. 코드로 보면 아래와 같습니다.

Member member = new Member();

레퍼런스 변수 는 이렇게 메모리상에 생성된 클래스 객체 혹은 인스턴스를 가리키는데 사용되는 변수 입니다. 위의 코드에서는 member가 레퍼런스 변수에 해당 합니다.

모든 인스턴스는 레퍼런스 변수만을 통해서 사용이 가능합니다. 레퍼런스 변수는 일반적인 프리미티브 변수처럼 데이터를 넣어두는 변수가 아니고 인스턴스(클래스 객체)를 가리키는 값 입니다.

레퍼런스 변수는 인스턴스의 멤버 변수와 메서드를 아래의 코드와 같이 접근할 수 있습니다.

public class Member {
    String name;
    int age;
    public void setName(String name) {
      this.name = name;
    }
    public void setAge(int age) {
      this.age = age;
    }
    public static void main(String[] args) {
      Member member = new Member();
      member.setName("홍길동");//레퍼런스 변수.메서드
      member.setAge(20);
      System.out.println(member.name+" "+member.age);//홍길동 20
    }
}

Heap 영역의 활용(코드 예시)

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        int port = 4000;
        String host = "localhost";
    }
}

int port = 4000; 에 의해서 기존처럼 stack 에 4000 이라는 값이 port 라는 변수명으로 할당되어 스택의 상태는 아래와 같이 된다.

java-memory_management_heap_1

String 은 Object 를 상속받아 구현되었으므로 (Object 타입은 최상위 부모클래스다, Polymorphism 에 의해 Object 타입으로 레퍼런스 가능하다) String 은 heap 영역에 할당되고 stack 에 host 라는 이름으로 생성된 변수는 heap 에 있는 “localhost” 라는 스트링을 레퍼런스 하게 된다. 그림으로 표현하면 아래와 같다.

java-memory_management_heap_2

Stack, Heap 영역의 활용(응용 예시)

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> listArgument = new ArrayList<>();
        listArgument.add("doorisopen");
        listArgument.add("github");

        print(listArgument);
    }

    private static void print(List<String> listParam) {
        String value = listParam.get(0);
        listParam.add("io");
        System.out.println(value);
    }
}

참고로 print() 하는 함수에서 List 에 값을 추가하는 것은 좋지 못한 것이다.

List<String> listArgument = new ArrayList<>();

여기서 new 키워드는 특별한 역할을 한다. 생성하려는 오브젝트를 저장할 수 있는 충분한 공간이 heap 에 있는지 먼저 찾은 다음, 빈 List 를 참조하는 listArgument 라는 로컬변수를 스택에 할당한다. 결과는 아래와 같다.

java-memory_management_heap_3

listArgument.add("doorisopen");

구문이 실행되는데, 위 구문은 listArgument.add(new String(“doorisopen”)); 과 같은 역할을 한다. 즉, new 키워드에 의해 heap 영역에 충분한 공간이 있는지 확인한 후 “doorisopen” 이라는 문자열을 할당하게 된다. 이때 새롭게 생성된 문자열인 “doorisopen” 을 위한 변수는 stack 에 할당되지 않는다. List 내부의 인덱스에 의해 하나씩 add() 된 데이터에 대한 레퍼런스 값을 갖게 된다. 그림으로 표현하면 아래와 같다.

java-memory_management_heap_4

listArgument.add("github");

List 에서 레퍼런스 하는 문자열이 하나 더 추가된다. 그림으로 표현하면 아래와 같다.

java-memory_management_heap_5

print(listArgument);

위 구문에 의해 함수호출이 일어난다. 이때, listArgument 라는 참조변수를 넘겨주게 된다. 함수호출시 원시타입의 경우와 같이 넘겨주는 인자가 가지고 있는 값이 그대로 파라미터에 복사된다.

print(List listParam) 메소드에서는 listParam 이라는 참조변수로 인자를 받게 되어있다. 따라서 print() 함수호출에 따른 메모리의 변화는 아래와 같다.

java-memory_management_heap_6

listParam 이라는 참조변수가 새롭게 stack 에 할당되어 기존 List 를 참조하게 되는데, 기존에 인자인 listArgument 가지고 있던 값(List 에 대한 레퍼런스)을 그대로 listParam 이 가지게 되는 것이다. 그리고 print() 함수 내부에서 listArgument 는 scope 밖에 있게 되므로 접근할 수 없는 영역이 된다.

다음으로, print() 함수 내부에서는 List 에 있는 데이터에 접근하여 값을 value 라는 변수에 저장한다. 이 때 print() 함수의 scope 에서 stack 에 value 가 추가되고, 이 value 는 listParam 을 통해 List 의 0번째 요소에 접근하여 그 참조값을 가지게 된다. 그리고나서 또 데이터를 추가하고, 출력함으로 print() 함수의 역할은 마무리 된다.

String value = listParam.get(0);
listParam.add("io");
System.out.println(value);

함수가 종료되기 직전의 stack 과 heap 은 아래와 같다.

java-memory_management_heap_7

이제 함수가 닫는 중괄호 } 에 도달하여 종료되면 print() 함수의 지역변수는 모두 stack 에서 pop 되어 사라진다. 이때, List 는 Object 타입이므로 지역변수가 모두 stack 에서 pop 되더라도 heap 영역에 그대로 존재한다. 즉, 함수호출시 레퍼런스 값을 복사하여 가지고 있던 listParam 과 함수내부의 지역변수인 value 만 스택에서 사라지고 나머지는 모두 그대로인 상태로 함수호출이 종료된다.

print(listArgument);

위 함수호출이 종료된 시점에서 스택과 힙 영역은 아래와 같다.

java-memory_management_heap_8

Object 타입의 데이터, 즉 heap 영역에 있는 데이터는 함수 내부에서 파라미터로 copied value 를 받아서 변경하더라도 함수호출이 종료된 시점에 변경내역이 반영되는 것을 볼 수 있다.

References