'김영한의 실전 자바 - 기본편' 강의를 들으면서 복습할만한 내용을 정리하였다.

8. 자바 메모리 구조와 static

8.1 자바 메모리 구조

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. 참고로 배열도 이 영역에 생성된다.

• 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 코드 등 모든 실행 코드가 존재한다.
  • static 영역 : static 변수들을 보관한다.
  • 런타임 상수 풀 : 프로그램을 실행하는데 필요한 공통 리터널 상수를 보관한다. 예를 들어서 프로그램에 "hello" 라는 리터널 문자가 있으면 이런 문자를 공통으로 묶어서 관리한다. 이 외에도 프로그램을 효율적으로 관리하기 위한 상수들을 관리한다.

• 스택 영역(Stack Areat) : 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. 가바지 컬렉션(GC)이 이루어지는 주요 영역이며, 더 이상 참조되지 않는 객체는 GC에 의해 제거된다.

메서드 코드는 메서드 영역에

자바에서 특정 클래스로 100개의 인스턴스를 생성하면, 힙 메모리에 100개의 인스턴스가 생긴다. 각각의 인스턴스는 내부에 변수와 메서드를 가진다. 같은 클래스로부터 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 실행된다.

인스턴스의 메서드를 호출하면 실제로는 메서드 영역에 있는 코드를 불러와서 수행한다.

8.2 스택 영역과 힙 영역

• Data

package memory;
public class Data {
 	private int value;
    
 	public Data(int value) {
 		this.value = value;
    }
    
 	public int getValue() {
 		return value;
    }
 }

• JavaMemoryMain2

package memory;

public class JavaMemoryMain2 {

	public static void main(String[] args) {
 		System.out.println("main start");
 		method1();
 		System.out.println("main end");
    }
    
 	static void method1() {
 		System.out.println("method1 start");
 		Data data1 = new Data(10);
 		method2(data1);
 		System.out.println("method1 end");
    }
    
 	static void method2(Data data2) {
 		System.out.println("method2 start");
 		System.out.println("data.value=" + data2.getValue());
		System.out.println("method2 end");
    }
}

• main() -> method1() -> method2() 순서로 호출되는 단순한 코드이다.

• method1() 에서 Data 클래스의 인스턴스를 생성한다.

• method1() 에서 method2() 를 호출할 때 매개변수에 Data 인스턴스의 참조값을 전달한다.

• 실행 결과

  main start
  method1 start
  method2 start
  data.value=10
  method2 end
  method1 end
  main end

---

• method2() 종료
  • method2()가 종료된다. method2()의 스택 프레임이 제거되면서 매개변수 data2도 함께 제거된다.

• method1 종료 직후

• method()의 스택 프레임이 제거되고 지역 변수 data1 도 함께 제거되었다.
• 이제 x001 참조값(data1)을 가진 Data 인스턴스를 참조하는 곳이 더는 없다.
• 참조하는 곳이 없으므로 사용되는 곳도 없다. 결과적으로 프로그램에서 더는 사용하지 않는 객체인 것이다. 이런 객체는 메모리만 차지하게 된다.
• GC(가비지 컬렉션)은 이렇게 참조가 모두 사라진 인스턴스를 찾아서 메모리에서 제거한다.

지역 변수는 스택 영역에, 객체(인스턴스)는 힙 영역에 관리되는 것을 확인했다. 메서드 영역이 관리하는 변수도 있다.

8.3 static 변수

특정 클래스에서 공용으로 함께 사용할 수 있는 변수를 만들 수 있다면 편리할 것이다.

static 키워드를 사용하면 공용으로 함께 사용하는 변수를 만들 수 있다.

• Data3

package static1;
public class Data3 {
	public String name;
 	public static int count; //static
 
 	public Data3(String name) {
 		this.name = name;
        count++;
    }
}

• static int count 부분을 보면 변수 타입(int) 앞에 static 키워드가 붙어있다.
• 이렇게 멤버 변수에 static을 붙이게 되면 static 변수, 정적 변수 또는 클래스 변수라 한다.
• 객체가 생성된면 생성자에서 정적 변수 count 의 값을 하나 증가 시킨다.

---

• DataCountMain3

package static1;

public class DataCountMain3 {
	
    public static void main(String[] args) {
 		Data3 data1 = new Data3("A");
 		System.out.println("A count=" + Data3.count);
        
 		Data3 data2 = new Data3("B");
 		System.out.println("B count=" + Data3.count);
        
 		Data3 data3 = new Data3("C");
 		System.out.println("C count=" + Data3.count);
    }
}

코드를 보면 count 정적 변수에 접근하는 방법이 조금 특이하다. Data3.count 와 같이 클래스명에 .(dot)을 사용한다. 마치 클래스에 직접 접근하는 것 처럼 느껴진다.

• static 이 붙은 멤버 변수는 메서드 영역에서 관리한다.
  • static이 붙은 멤버 변수 count 는 인스턴스 영역에 생성되지 않는다. 대신에 메서드 영역에서 이 변수를 관리한다.
• Data3("A") 인스턴스를 생성하면 생성자가 호출된다.
• 생성자에서 count++ 코드가 있다. count 는 static 이 붙은 정적 변수다. 정적 변수는 인스턴스 영역이 아니라 메서드 영역에서 관리한다. 따라서 이 경우 메서드 영역에 있는 count 의 값이 하나 증가된다.

최종적으로 메서드 영역에 있는 count 변수의 값은 3이 된다.

static 이 붙은 정적 변수에 접근하려면 Data3.count 와 같이 클래스명 + . (dot) + 변수명으로 접근하면 된다.

static 변수를 사용한 덕분에 공용 변수를 사용해서 편리하게 문제를 해결할 수 있었다.

정리

static 변수는 쉽게 이야기 해서 클래스인 붕어빵 틀이 특별히 관리하는 변수이다. 붕어빵 틀은 1개이므로 클래스 변수도 하나만 존재한다. 반면에 인스턴스 변수는 붕어빵인 인스턴스의 수만큼 존재한다.

용어 정리

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

위의 예제 코드에서 name, count 는 둘다 멤버 변수이다.

멤버 변수(필드)는 static 이 붙은 것과 아닌 것에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.

멤버 변수(필드)의 조류

• 인스턴스 변수 : static 이 붙지 않은 변수, 예) name
  • static 이 붙지 않은 멤버 변수는 인스턴스를 생성해야 사용할 수 있고, 인스턴스에 소속되어 있다. 따라서 인스턴스 변수라 한다.
  • 인스턴스 변수는 인스턴스를 만들때마다 새로 만들어진다.
• 클래스 변수 : static이 붙은 변수, 예) count
  • 클래스 변수, 정적 변수, static 변수 등으로 부른다.
  • static 이 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 1개만 만들어진다. 인스턴스와는 다르게 보통 여려곳에서 공유하는 목적으로 사용된다.

변수와 생명주기

• 지역 변수(매겨변수 포함) : 지역 변수는 스택 영역에 있는 스택 프레임 안에 보관된다. 메서드가 종료되면 스택 프레임도 제거 되는데 이때 해당 스택 프레임에 포함된 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. 그리고JVM이 종료될 때까지 생명주기가 이어진다. 따라서 가장 긴 생명주기를 가진다.

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

8.4 static 메서드

정적 메서드는 객체 생성 없이 클래스에 있는 메서드를 바로 호출할 수 있다는 장점이 있다.

하지만 정적 메서드는 언제나 사용할 수 있는 것이 아니다.

정적 메서드 사용법

• static 메서드는 static 만 사용할 수 있다.

  • 클래스 내부의 기능을 사용할 때, 정적 메서드는 static 이 붙은 정적 메서드나 정적 변수만 사용할 수 있다.
  • 클래스 내부의 기능을 사용할 때, 정적 메서드는 인스턴스 변수나, 인스턴스 메서드를 사용할 수 없다.

• 반대로 모든 곳에서 static을 호출할 수 있다.

  • 정적 메서드는 공용 기능이다. 따라서 접근 제어자만 허락한다면 클래스를 통해 모든 곳에서 static 을 호출할 수 있다.

정적 메서드가 인스턴스의 기능을 사용할 수 없는 이유

정적 메서드는 클래스의 이름을 통해 바로 호출할 수 있다. 그래서 인스턴스처럼 참조값의 개념이 없다.

특정 인스턴스의 기능을 사용하려면 참조값을 알아야 하는데, 정적 메서드는 참조값 없이 호출한다. 따라서 정적 메서드 내부에서 인스턴스 변수나 인스턴스 메서드를 사용할 수 없다.

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.

static 이 붙지 않은 멤버 메서드는 인스턴스를 생성해야 사용할 수 있고, 인스턴스에 소속되어 있다. 따라서 인스턴스 메서드라 한다. static 이 분은 멤버 메서드는 인스턴스와 무관하게 클래스에 바로 접근해서 사용할 수 있고, 클래스 자체에 소속되어 있다. 따라서 클래스 메서드라 한다.

정적 메서드 활용

정적 메서드는 객체 생성이 필요 없이 메서드의 호출만으로 필요한 기능을 수행할 때 주로 사용한다.

예를 들어서 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.

main() 메서드는 정적 메서드

인스턴스 생성 없이 실행하는 가장 대표적인 메서드가 바로 main() 메서드이다.

main() 메서드는 프로그램을 시작하는 시작점이 되는데, 생각해보면 객체를 생성하지 않아도 main() 메서드가 작동했따. 이것은 main() 메서드가 static 이기 때문이다.

정적 메서드는 정적 메서드만 호출할 수 있다. 따라서 정적 메서드인 main()이 호출하는 메서드에는 정적 메서드를 사용했다.

물론 더 정확히 말하자면 정적 메서드는 같은 클래스 내부에서 정적 메서드만 호출할 수 있다. 따라서 정적 메서드인 main() 메서드가 같은 클래스에서 호출하는 메서드도 정적 메서드로 선언해서 사용했다.