자바 메모리 관리 Stack 과 Heap(1)

Stack

• Headp 영역에 생성된 Object 타입의 데이터의 참조값이 할당됨
• 원시타입의 데이터가 값과 함께 할당됨
• 지역변수들은 scope에 따른 visibility를 가진다
• 각 Thread는 자신만의 stack을 가진다.

Stack에는 headp 영역에 생성된 Object 타입의 데이터들에 대한 참조를 위한 값들이 할당된다. 또한 원시타입(primitive types) - byte, short, int, long, double, float, boolean, char 타입의 데이터들이 할당된다. 이 때, 원시타입의 데이터들에 대해서는 참조값을 저장하는 것이 아니라 실제 값을 stack에 직접 저장하게 된다.

Stack 영역에 있는 변수들은 visibility를 가진다. 변수 scope에 대한 개념이다. 전역변수가 아닌 지역변수가 foo()라는 함수내에서 Stack에 할당된 경우, 해당 지역변수는 다른 함수에서 접근할 수 없다. 예를 들어, foo()라는 함수에서 bar()함수를 호출하고 bar()함수의 종료되는 중괄호가 } 가 실행된 경우 bar() 함수 내부에서 선언한 모든 지역변수들은 stack에서 pop되어 사라진다.

Stack 메모리는 Thread 하나당 하나씩 할당된다. 즉 스레드 하나가 새롭게 생성되는 순간 해당 스레드를 위한 tack도 함께 생성되며, 각 Thread에서 다른 Thread stack 영역에는 접근할 수 없다.

이제 Stack이 어떻게 활용되는지 간단한 코드를 보면서 하나씩 살펴보자

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;
    }
}

argument에 4라는 값을 최초로 할당했고, 이 argument변수를 함수에 넘겨주고 결과값을 또다시 argument에 할당하는 방식이 그렇게 좋은 방식은 아니지만 설명의 편의를 위해 그냥 두자. argument 변수의 타입은 원시타입이므로 이 공간에는 실제 4라는 값이 할당된다. 현재 스택의 상태는 아래와 같다.

다음으로

argument = someOperation(argument);

에 의해 someOperation() 함수가 호출된다. 호출될 때 인자로 argument 변수를 넘겨주며 scope가 someOperation()함수로 이동한다. scope가 바뀌면서 기존의 argument라는 값은 scope에서 벗어나므로 사용할 수 없다. 이때, 인자로 넘겨받은 값은 파라미터인 param에 복사되어 전달되는데, param 또한 원시타입이므로 stack에 할당된 공간에 값이 할당된다. 현재 스택의 상태는 아래와 같다.

다음으로,

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

에 의해 같은 방식으로 스택에 값이 할당되며 현재 스택의 상태는 아래와 같다.

다음으로 닫는괄호가 }가 실행되어 someOperation()함수호출이 종료되면 호출함수 scope에서 사용되었던 모든 지역변수들은 stack에서 pop된다. 함수가 종료되어 지역변수들이 모두 pop되고, 함수를 호출했던 시점으로 돌아가면 스택의 상태는 아래와 같이 변한다.

argument 변수는 4로 초기화 되었지만, 함수의 실행결과인 6이 기존 argument 변수에 재할당된다. 물론 함수호출에서 사용되었던 지역변수들이 모두 pop되기 전에 재할당 작업이 일어날 것이다. 그리고 main()함수도 종료되는 순간 stack에 있는 모든 데이터들은 pop되면서 프로그램이 종료된다.

Heap

이제 heap 영역에 대해서 알아보자.

• Heap 영역에는 주로 긴 생명주기를 가지는 데이터들이 저장된다.
• 모든 메모리 중 stack에 있는 데이터를 제외한 부분이라고 보면 된다.
• 모든 Object 타입(Integer, String, ArrayList, ...)은 heap 영역에 생성된다.
• 몇개의 스레드가 존재하든 상관없이 단 하나의 headp 영역만 존재한다.
• Heap 영역에 있는 Object들을 가리키는 레퍼런스 변수가 stack에 올라가게 된다.

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

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

String은 Object를 상속받아 구현되었으므로 (Object타입은 최상위 부모클래스이다, Polymorphism에 의해 Object 타입으로 레퍼런스 가능하다) String은 heap 영역에 할당되고 stack에 host라는 이름으로 생성된 변수는 heap에 있는 "localhost"라는 String을 레퍼런스하게 된다. 그림으로 표혀하면 아래와 같다.

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기본적인 stack와 heap 영역에 대한 이해는 끝났으므로, 조금 더 복잡한 예제코드와 함께 각 영역의 메모리 할당과 해제가 어떻게 일어나는지 살펴보자.

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

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

        print(listArgument);
    }

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

여기서 new 키워드는 특별한 역할을 한다. 생성하려는 Object를 저장할 수 있는 충분한 공간이 heap에 있는지 먼저 찾은 다음, 빈 List를 참조하는 listArgument라는 로컬변수를 Stack에 할당한다. 결과는 아래와 같다.

다음으로,

listArgument.add("yaboong");

구문이 실행되는데, 위 구문은 listArgument.add(new String("yaboong"))과 같은 역할을 한다. 즉, new 키워드에 의해 heap 영역에 충분한 공간이 있는지 확인한 후, "yaboong"이라는 문자열을 할당하게 된다. 이 때, 새롭게 생성된 문자열인 yaboong을 위한 변수는 stack에 할당되지 않는다. List 내부의 인덱스에 의해 하나씩 add()된 데이터에 대한 레퍼런스 값을 갖게 된다. 그림으로 표현하면 아래와 같다.

다음으로,

listArgument.add("github");

가 실행되면 List에서 레퍼런스하는 문자열이 하나 더 추가된다. 그림으로 표현하면 아래와 같다.

다음으로,

print(listArgument);

구문에 의해 함수 호출이 일어난다. 이 때, listArgument라는 참조변수를 넘겨주게 된다. 함수호출 시 원시타입의 경우와 같이 넘겨주는 인자가 가지고 있는 값이 그대로 파라미터에 복사된다.

print(List<String> listParam)메소드에서는 listParam이라는 참조변수로 인자를 받게 되어있다. 따라서 print()함수 호출에 따른 메모리의 변화는 아래와 같다.

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listParam이라는 참조변수가 새롭게 stack에 할당되어 기존 List를 참조하게 되는데, 기존에 인자인 listArgument가 가지고 있던 값(List에 대한 레퍼런스)를 그대로 listParam이 가지게 되는 것이다. 그리고 print()함수 내부에서 listArgument는 scope 밖에 있게 되므로 접근할 수 없는 영역이 된다.

다음으로, print() 함수 내부에서는 List에 있는 데이터에 접근하여 값을 value라는 변수에 저장한다. 이 때, print()함수의 scope에서 stack에 value가 추가되고, 이 value는 listParam을 통해 List의 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);

위 코드가 실행되고, 함수가 종료되기 직전의 stack과 headp은 아래와 같다.

이제 함수가 닫는 중괄호 }에 도달하여 종료되면 print()함수이ㅡ 지역변수는 모두 stack에서 pop되어 사라진다. 이 때, List는 Object 타입이므로 지역변수가 모두 stack 에서 pop되더라도 heap 영역에 그대로 존재한다. 즉 함수호출 시 레퍼런스 값을 복사하여 가지고 있던 listParam과 함수내부의 지역변수인 value만 스택에서 사라지고 나머지는 모두 그대로인 상태로 함수호출이 종료된다.

print(listArgument);

위 함수호출이 종료된 시점에서 Stack과 heap 영역은 아래와 같다.

Object타입의 데이터, 즉 heap 영역에 있는 데이터는 함수 내부에서 파라미터로 copied value를 받아서 변경하더라도 함수호출이 종료된 시점에 변경내역이 반영되는 것을 볼 수 있다.

-원글: https://yaboong.github.io/java/2018/05/26/java-memory-management/