Java의 Runtime Data Area(Stack, Heap, ...)

원태연·2022년 1월 3일

Java의 Runtime Data Area

프로그램을 구동하기 위해 필요한 메모리 공간은, 컴퓨터에서 운영체제가 데이터 및 명령어를 저장할 공간을 할당해 준다. 이 메모리는 한 컴퓨터 내에서 하나의 프로그램 사용하는 것이 아니기 때문에 사용 공간이 한정되어 있고, 이를 어떻게 관리하느냐에 따라서 프로그램의 성능이 좌우된다.

자바로 작성된 코드는 .java의 형태로 저장되는데, 이를 Java 컴파일러가 byte코드로 변경하여 .java->.class 로 저장한다. 작성한 코드를 1차적으로 숨기고, 더 이상의 문법 검사를 수행하지 않아 약간의 시간 단축을 기대할 수 있지만, 매번 컴파일러가 변경해야 하기 때문에 역설적으로 느려질 수 있다.

byte코드로 변경된 이 .class 파일을 Class Loader 가 JVM의 Runtime Data Area 로 로딩 시켜 프로그램을 수행한다. 이 Runtime Data Area는 JVM이 프로그램을 수행하기 위해 OS로부터 할당받는 메모리이다.

즉, 효율적인 메모리의 사용이 프로그램의 성능에 영향을 미친다는 것이다.

`Runtime Data Area`의 구성

PC Register
Native Method Stack
JVM Stack
Heap
Method Area

PC Register

Thread마다 존재
PC는 Program Counter이지만 일반적인 CPU의 PC Register와는 다르다

CPU에서의 PC (Program Counter) : 다음 인출(Fetch) 될 명령어의 주소를 가지고 있는 레지스터
Thread가 어떤 부분을 어떤 명령어로 수행할지를 저장하는 공간

=> 현재 수행중인 JVM의 Instruction(명령어)의 주소를 저장하는 공간

Native Method Stack

Thread마다 존재
Java가 아닌 다른 언어로 작성된 코드를 위한 공간
JNI(Java Native Interface)를 통해 호출되는 C/C++의 코드

앞서 살펴보았던 HashCode()와 같은 메서드
```
public class Object {
  //...
  @HotSpotIntrinsicCandidate
  public native int hashCode();
  //...
}
```

JVM Stack

Thread마다 존재
지역변수나 메서드의 매개변수, 임시적으로 사용되는 변수, 메서드의 정보가 저장되는 영역. (Primitive type의 실제 값, Reference type의 참조값)
메서드가 호출될 때 메모리에 할당되고 해당 메서드가 종료되면 메모리가 해제된다.
각각의 Thread는 각자의 Stack에만 접근할 수 있다.
다른 Thread의 Stack에는 접근할 수 없다는 말이다.

ex) JVM Stack의 간략한 동작 과정

public class StackClass {
  public static void main(String[] args) {
    int a = 5; // 1
    a = operateNumber(a); // 2
  }
  
  private static int operateNumber(int number) {
    int operateResult = number * 2; // 3
    return operateResult; // 4
  }
} // 5

간단한 과정 설명을 위해 args 배열은 우선 무시하고 생각하자

우선 main Thread가 생성되어 실행하였으니 새로운 Stack도 생성된다.

코드 1 : a에 5라는 값을 할당했다. a 는 int 타입이므로 값(5)이 Stack에 할당된다.

Stack [a = 5]

코드 2 : operateNumber 메서드를 호출하였다.
메서드를 호출하면서 a 를 넘겨주고 해당 메서드로 scope가 이동한다. 넘겨받은 변수의 값을 메서드의 파라미터인 number 에 복사하고, 타입이 int 이므로 Stack에 값이 할당 된다.

Stack [~~a = 5~~, number = 5]

취소선은 scope외의 영역임을 뜻함

코드 3: operateResult가 선언되었다.

Stack [~~a = 5~~, number = 5, operateResult = 10]

코드 4 : return을 통해 a에 operateResult 값을 반환해주고 메서드를 종료한다.
메서드가 종료되면서 현재 scope의 지역변수들이 모두 pop 된다.

Stack [a = 10]

코드 5 : main 메서드도 종료되면서 Stack의 모든 데이터들도 pop이 되고 프로그램이 종료된다

Stack []

Stack은 크기가 정해져 있는 타입이다. 메서드 작업이 종료되면 해당 Scope에서 사용하였던 메모리가 알아서 비워지기 때문에 메모리 누수와 같은 문제에 대해서 신경쓰지 않아도 된다. 하지만 크기가 정해져 있다 보니 할당 받을 수 있는 최대 메모리에 제약이 있다는 특징이 있다.

Heap

Thread의 수와 관계 없이 하나만 존재하며, 모든 Thread가 공유한다.
GC(Garbage Collector)의 대상이 되는 공간
동적으로 생성된 객체가 저장되는 영역이다.
new 연산을 통해 생성된 인스턴스 변수가 저장됨
ex) new Person();, new int[10]
참조변수는 Stack 영역에 참조값(해시코드)이 저장되고 new 연산자를 통해 Heap 영역의 해당 데이터를 리턴 받는다.

String url = "localhost:8080"

Stack = [url = @15db9742]

Heap = [String | localhost:8080]

url에 저장된 참조값(@15db9742)은 Heap 영역의 "localhost:8080"라는 스트링 타입을 레퍼런스 하고 있다.

좀 더 복잡한 예제

public class HeapClass {
  public static void main(String[] args) {
    List<String> stringList = new ArrayList<>(); // 1
    stringList.add("localhost:8080"); // 2
    stringList.add("localhost:3000"); // 3
    addString(stringList); // 4
  }
  
  private static void addString(List<String> list) {
		list.add("new localhost!"); // 5
  }
}

코드 1 : new 연산자를 통해 List\타입의 stringList를 동적으로 생성한다.

Stack = [stringList]

stringList -> List<>

Heap = [List<>]

코드 2 : stringList에 "localhost:8080"이라는 String을 추가하였다.
이때, "localhost:8080"가 Heap 영역에 할당된다.

Stack = [stringList]

stringList -> List<>

Heap = [

List<0>,

"String | localhost:8080"

]

List<0> -> "String | localhost:8080"

코드 3 : stringList에 "localhost:3000"이라는 String을 추가하였다.
이때, "localhost:3000"가 Heap 영역에 할당된다.

Stack = [stringList]

stringList -> List<>

Heap = [

List<0, 1>,

"String | localhost:8080", "String | localhost:3000"

]

List<0> -> "String | localhost:8080"

List<1> -> "String | localhost:3000"

코드 4 : addString()을 호출하여 참조변수 stringList 를 인자로 넘겨주었다.
메서드가 실행되면서 Stack의 scope가 변경된다. 참조값이 복사된 파라미터 list 는 Heap영역의 List<> 를 참조하고 있을 것이다.

Stack = [~~stringList~~, list]

~~stringList -> List<>~~

list -> List<>

Heap = [

List<0, 1>,

"String | localhost:8080", "String | localhost:3000"

]

List<0> -> "String | localhost:8080"

List<1> -> "String | localhost:3000"

코드 5 : list.add() 를 통해 공통으로 가르키는 Heap영역의 List<>에 스트링을 추가한다.

Stack = [~~stringList~~, list]

~~stringList -> List<>~~

list -> List<>

Heap = [

List<0, 1, 2>,

"String | localhost:8080", "String | localhost:3000", "String | new localhost!"

]

List<0> -> "String | localhost:8080"

List<1> -> "String | localhost:3000"

List<2> -> "String | new localhost!"

이제 메서드가 종료되면서 Stack의 scope도 변경되었고, Stack에서는 list의 pop이 일어나고, main Thread도 종료 되면서 List<> 를 참조하는 stringList 도 pop이 일어날 것이다. 그렇다면 List<> 를 참조하는 변수는 더 이상 존재하지 않고 이를 Unreachalbe 오브젝트라고 불린다. 이러한 오브젝트에 대해 GC(가비지 컬렉터)가 Heap영역에서 우선적으로 제거하여 메모리 공간을 확보한다.

만약 stringList가 pop되지 않고 다른 List<> 를 참조하는 경우에도, GC가 기존에 참조되고 있던 List<> 를 제거한다.

Heap은 Stack과 다르게 메모리의 제약이 덜 하다. GC가 존재하여 불필요한 메모리 할당에 대해서도 해결을 해준다. 하지만, 모든 Thread가 공유한다는 점을 고려하여 동시성에 대한 이슈에 대해서도 인지하고 있어야 한다.

Method area

Thread의 수와 관계 없이 하나만 존재하며, 모든 Thread가 공유한다.
클래스나 인터페이스에 대한 메타데이터 정보가 저장되는 공간이다.
type, field, method, constant pool, static variable
Java 파일에서 전역 변수와 static으로 선언된 메서드나 변수가 저장되는 공간이다.

Static 영역의 데이터는 프로그램의 시작부터 종료가 될 때 까지 메모리에 남아있기 때문에 static을 필요에 맞게 사용하는 것이 좋다.

public class StaticAreaClass {
  public static int TEN = 10;
}

public class PlayGround {
  public void play() {
    System.out.println(StaticAreaClass.TEN);
  }
}

StaticAreaClass의 static 변수 TEN은 new연산자를 통해 생성하지 않아도 Method area에 저장되어 있기 때문에 사용할 수 있다.

원태연

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`Runtime Data Area`의 구성

PC Register

Native Method Stack

JVM Stack

Stack [a = 5]

Stack [a = 5, number = 5]

Stack [a = 5, number = 5, operateResult = 10]

Stack [a = 10]

Stack []

Heap

Stack = [url = @15db9742]

Heap = [String | localhost:8080]

Stack = [stringList]

Heap = [List<>]

Stack = [stringList]

Heap = [

List<0>,

"String | localhost:8080"

]

Stack = [stringList]

Heap = [

List<0, 1>,

"String | localhost:8080", "String | localhost:3000"

]

Stack = [stringList, list]

Heap = [

List<0, 1>,

"String | localhost:8080", "String | localhost:3000"

]

Stack = [stringList, list]

Heap = [

List<0, 1, 2>,

"String | localhost:8080", "String | localhost:3000", "String | new localhost!"

]

Method area

Java의 메서드 호출방식(Call by value)

Java 정규 표현식을 통한 검증

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Java의 Runtime Data Area

Runtime Data Area의 구성

PC Register

Native Method Stack

JVM Stack

Stack [a = 5]

Stack [a = 5, number = 5]

Stack [a = 5, number = 5, operateResult = 10]

Stack [a = 10]

Stack []

Heap

Stack = [url = @15db9742]

Heap = [String | localhost:8080]

Stack = [stringList]

Heap = [List<>]

Stack = [stringList]

Heap = [

List<0>,

"String | localhost:8080"

]

Stack = [stringList]

Heap = [

List<0, 1>,

"String | localhost:8080", "String | localhost:3000"

]

Stack = [stringList, list]

Heap = [

List<0, 1>,

"String | localhost:8080", "String | localhost:3000"

]

Stack = [stringList, list]

Heap = [

List<0, 1, 2>,

"String | localhost:8080", "String | localhost:3000", "String | new localhost!"

]

Method area

Java의 메서드 호출방식(Call by value)

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