🌟 Java의 Stack과 Heap

🥨 Java의 Stack과 Heap

🤷‍♀️ 들어가면서...

저번 시간에는 자바의 메모리 구조에 대해서 살펴보았습니다!
JVM에 대해 자세한 내용은 해당 게시물을 참고하세요!
자바는 어떻게 메모리 관리를 하는가?
오늘은 stack과 heap 영역 각 역할과 코드예제와 함께 stack과 heap이 어떤식으로 바뀌는지 그림과 함께 알아볼 것입니다!

✔ stack / heap

그림에서 보면 왼쪽이 stack memory영역입니다.

Stack

• Thread 별로 각자의 stack이 있습니다.
• 기본 데이터 타입과 그 값을 같이 저장합니다.
  • 기본데이터 타입은 다음과 같습니다.
    1)정수: byte(1byte, -128~127), short(2byte,-32768~32767),int(4byte,+_약21억), long(8byte)
    2)실수: float(4byte,소수점 6자리까지), double(8byte)
    3)문자: char(2byte,유니코드)
    4)논리: boolean(1byte -> true,false)
    
• Heap 영역의 Object 주소값을 저장합니다.
• 메소드별로 다른 지역변수를 가지고 있으면 다른 scope를 가집니다.
  • 지역 변수(local variable)란 메소드 내에서 선언된 변수를 가리킵니다.
  • 메소드가 끝나고 return되면 stack에서 pop되고 사라집니다.
  • 변수는 변수가 생성된 영역에서만 사용가능합니다. 이것을 scope라고 합니다.
  • scope는 Method Scope와 Block Scope로 나뉘고 변수가 선언된 이후부터 }블록이 닫히기전까지 사용할 수 있습니다.

Heap

• JVM 프로세스 별로 단 한개의 힙 메모리가 존재합니다.
• 모든 Object 타입(Integer, String, Array, ...)은 heap 영역에 생성된다.
• 메모리를 아끼기 위해 기본적으로 같은 값이 있을경우 그 주소를 저장하지만, new로 생성된 경우는 무조건 새로운 주소값에 객체를 저장한다.

✔ Reference Types

1.Strong Reference

2.Weak Reference

3.Soft Reference

4.Phantom Reference

✔ 그림으로 살펴보는 stack heap 생성 과정!

public class Method3 {//Day5

    public static int method2(){
        int num = (int)(Math.random()*6+1); 
        //변수의 Scope: 메소드안에서 만들면 메소드가 끝날때 사라짐: {}사이
        return num;                         
    }

    public static int[] method3(){
        int[] jumsu = {90, 80, 100, 40, 70};
        return jumsu;
    }

    public static int method4(int[] values){
        int sum = 0;
        for(int val: values) sum += val;
        return sum;
    }

    public static void main(String[] args) {

        System.out.println(method2());
        int num = method2();
        System.out.println("주사위 숫자: "+ num);

        System.out.println(method3());     //[I@3498ed method3의 주소값
        int[] jumsu = method3();
        for(int i : jumsu){
            System.out.print(i + " ");
        }
        
        System.out.println();
        int[] values = {10, 30, 20, 50};
        int result=method4(values);
        System.out.println(result);

}

지금 stack안에는 method2에서 선언된 num입니다. 이 값은 return될 때 pop되어 사라집니다.

맨 아래 num은 main에서 선언해서 나온 1~6까지 랜덤값입니다! jumsu는 2개로 아래는 main에서 선언된 변수이고, 위는 method3에서 선언된 jumsu입니다. 위에있는 jumsu는 return될 때 pop되어 사라집니다.

return될때 jumsu가 return된 array의 위치를 저장하게 되고 포인터로 가리키게 됩니다.

그상태로 main에서 values를 선언하면서 값을 할당해줍니다. 배열은 heap에 저장되고, 그 주소값은 values에 저장됩니다. main에서 선언된 result는 method4가 return해준 값이 저장될 것입니다. method4에서 선언된 sum은 for문에서 연산되어 return될때 pop되어 사라집니다.

method4가 리턴해준값을 result에 대입되어 변수와 값이 함께 stack에 저장됩니다.

메인이 끝나면 main의 stack의 정보는 사라집니다. heap에 저장된 값들은 바로 지워지지 않습니다. 포인터가 없는 값들은 시간이 지나면 가비지컬렉터가 지웁니다.

✔ Java의 String 메모리 관리: string pool

자바에서 메모리를 아끼기 위해 같은 문장이라면 재사용 하는 목적으로 String은 조금 다르게 처리됩니다. String은 immutable이라 선언할 때마다 새로운 객체가 힙 영역에 생성될 것처럼 생각이 되지만 그렇지 않습니다. 자바에서는 메모리에 string pool을 저장하고 있습니다.
string pool은 힙 영역 내에 존재하는 메모리 입니다.

public class String1 {//Day4
    public static void main(String[] args) {
        String str1 = new String("apple"); //new : string 객체 생성
        String str2 = new String("apple");
        String str3 = "apple";             //리터럴 표기로 객체 생성
        String str4 = "apple";             //heap 메모리에 저장된것은 동일.

        // 메모리 비교
        System.out.println(str1 == str2);   //false: new를 쓰면 서로 다른 주소
        System.out.println(str3 == str4);   //true

        // 값을 비교
        System.out.println(str1.equals(str2));//true
        System.out.println(str3.equals(str4));//true
        System.out.println(str2.equals(str3));//true
    }
}

리터럴 표기"끼리" 같은 값이 있는지 heap에서 확인후 같은것이 있을때 같은 주소 사용합니다.이유는 메모리를 조금이라도 아끼려고 하는것인데, String 클래스는 불변객체이기 때문이죠!

불변객체: 생성 후 그 상태를 바꿀 수 없는 객체

예를들어보겠습니다!
str3= "banana"; 이라고 하면 str4는 apple 주소를 가르키고, str3는 새로운 주소를 얻게됩니다. 여기서 추가로 str3= "orange"; 하면 또 str3는새로운 주소를 얻게되고, banana는 그자리에 버려져있습니다.

가비지 콜렉터가 돌아다니면서 null(포인터가 없는값,끊어진아이들) 지워주지만 그시점이 언젠지는 모릅니다. 값이 바뀌는게 아니고 새로운 객체를 생성하여 포인터만 바꾸는 불변객체라는 단점이 있다라는 것을 알아두자!

참고)StringBuilder 클래스

• String 클래스와 동일하게 문자열을 다루는 클래스
• String 클래스는 문자열을 인스턴스로 생성하고 나면 인스턴스가 가진 문자열을 변경하지 못하는 불변객체라는 단점이 있음
• 같은 인스턴스 안의 문자열 필드값을 추가하거나 변경할 수 있도록 함
• 불변객체가 아니게 해준다!
  ex)
  StringBuilder 참조변수 = new StringBuilder("문자열1");
  참조변수.append("문자열2").append("문자열3") ... <-문자열1문자열2문자열3...

✔ 자료구조에서의 heap, stack

List 인터페이스: 순서가 있는 데이터들의 집합으로 데이터의 중복을 허용
Set 인터페이스: 순서가 없는 데이터 집합으로 데이터의 중복을 허용하지 않음
Map 인터페이스: 키와 값을 한 쌍으로 이루어지는 데이터의 집합으로 순서가 없고, 키는 중복으로 허용하지 않지만 값은 중복을 허용

import java.util.ArrayList;
import java.util.Iterator;

public class ArratList1 {
    public static void main(String[] args) {
        ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<>();

        arrayList.add(80);
        arrayList.add(95);
        arrayList.add(65);
        arrayList.add(100);
        arrayList.add(90);
        arrayList.add(55);

        System.out.println(arrayList);  //[80, 95, 65, 100, 90, 55]
        System.out.println(arrayList.size());   //6

        for(int i=0; i<arrayList.size(); i++){
            System.out.print(arrayList.get(i) + " ");   //80 95 65 100 90 55
        }
        System.out.println();

        arrayList.remove(2);
        System.out.println(arrayList);  //[80, 95, 100, 90, 55]
//        arrayList.remove(2);
//        System.out.println(arrayList);  //[80, 95, 90, 55]
        arrayList.set(4,85);
        System.out.println(arrayList);  //[80, 95, 100, 90, 85]

        Iterator<Integer> iterator = arrayList.iterator();
        while(iterator.hasNext()){  //.hasnext: 데이터가 있으면 true 없으면 false
            System.out.print(iterator.next() + " ");    //.next: 현재값을찍고 다음으로 넘긴다.
        }   //80 95 100 90 85
    }
}

✔ 박싱/언박싱에서의 heap, stack

1. 래퍼 클래스(Wrapper Class)
   • 기본타입의 정의: 값이 직접 stack에 저장되는 것 ( 주소가 저장되는 것이 아님 )
   • 기본타입은 JVM에 설계가 되있는 형태 ==> 하드웨어적으로 움직이기 때문에 빠르다! //파이썬에는 없다!

• 기본형(primitive type) 변수 데이터를 객체로 취급해야 할 경우 객체로 포장해주는 클래스
• 자바는 객체지향 언어이지만 기본형이라는 예외를 둔 이유는 성능때문

래퍼 클래스가 필요한 이유

• 기본형 변수는 값을 저장하고, 참조형 변수는 주소를 저장하기 때문
• 컬렉션 프레임워크(자료구조)는 참조형 변수만을 다루기 때문
  • 배열의 단점 1. 배열의 크기를 지정해놔야한다 2. 다른 타입을 같이 쓸 수 없다
    3. 데이터를 찾을때 처음부터 모두 스캔 해야 한다.
  • Arraylist라는 Class: 크기를 신경쓰지 않아도 됨. 여기는 일반데이터 타입이 들어가지 않는다.
• 멀티 쓰레딩에서 동기화를 지원하려면 참조형변수가 필요하기 때문
  • 쓰레드 ? 멀티쓰레딩: 여러개의 프로그램을 동시에 하는 것 ex)게임+배경음악
  • 동기(동시에일어나는): 요청과 결과가 한 자리에서 동시에 일어남 ex)프로필사진
  • 비동기(동시에 일어나지 않는) ex)티켓팅 동시에 들어와질때! -> 동기화 필요

byte -> 객체생성 -> Byte
short -> 객체생성 -> Short
int -> 객체생성 -> Integer
long -> 객체생성 -> Long
char -> 객체생성 -> Character
float -> 객체생성 -> Float
double -> 객체생성 -> Double
boolean -> 객체생성 -> Boolean

String num = "100";
System.out.println(num + 100); //100100
System.out.println(Integer.parseInt(num) + 100); //200 여기서 Integer가 래퍼클래스

박싱(Boxing)
기본타입을 래퍼클래스로 변환
int num = 10; //num이 사라지는 것은 아니고![10]stack []heap
Integer i = new Integer(num); //새로 만드는 것 ! [ref]stack -> [10]heap

언박싱(UnBoxing)
래퍼클래스를 기본타입으로 변환
int num = i.intValue();

public class Wrapper1 {
        public static void main(String[] args) {
            int num1 = 100;
    //        Integer num2 = new Integer(num1);   //취소선: 없어졌거나 없어질 예정인 문법
            Integer num2 = num1;        //최근에 쓰이는 박싱 문법: 리터럴 표기법
            System.out.println(num1);   //100
            System.out.println(num2);   //100

            int num3 = num2.intValue(); //언박싱 방법1
            int num4 = num2;            //언박싱 방법2: 리터럴 표기법
            System.out.println(num3);   //100
            System.out.println(num4);   //100

    //        Integer num5 = new Integer(10);
            Integer num5 = 100;          //new를 하지 않아도 객체타입으로 변환된다.
            System.out.println(num1 + num5);  //200: 일반 데이터타입 + 래퍼클래스 과거엔 안됬지만 지금은 된다!
            Integer num6 = 100;
            System.out.println(num5 + num6);  //200: 래퍼 끼리도 연산 가능!

            System.out.println(num1 == num5);   //true: 숫자는 일반 데이터타입, 래퍼클래스의 값 비교 *주소비교XX
            System.out.println(num5 == num6);   //true: 숫자는 레퍼클래스, 래퍼클래스의 값 비교 *주소비교XX
            // 스트링은 == 주소비교 .equals 값비교!

        }
    }

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