[Java][JVM][OOP] 자바 메모리 구조 + 객체 지향 프로그래밍 개념 지원

출처

Gemini

ChatGPT

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자바 메모리 구조

자바 프로그램이 실행될 때, JVM(Java Virtual Machine)은 운영체제로부터 메모리를 할당받아 이를 여러 영역으로 나누어 관리한다. 각 영역은 고유한 목적으로 가지며 프로그램 실행에 필요한 데이터를 저장하는역할을 한다.

자바 메모리 모델은 JVM 구현에 따라 다소 차이가 있을 수 있다.

 

자바의 메모리 구조는 객체 지향 프로그래밍(OOP) 개념을 효율적으로 지원하도록 설계되었다. 자바는 객체 지향 언어로서 객체와 클래스의 개념을 중심으로 프로그램을 구성하며, 이와 같은 구조를 효과적으로 지원하기 위해 메모리 관리를 설계했다.

 

주요 메모리 영역

1. Method Area 메모리 영역

클래스와 관련된 메타데이터를 저장한다. 클래스 정보, 메소드, 정적 변수(static variables), 상수 풀(Constant Pooll)등을 저장하는 영역.

JVM이 시작될 때 생성되며, 프로그램이 종료될 때까지 유지된다.

static 변수, 상수, 인터페이스 등이 이 영역에 저장된다.

모든 스레드가 공유하는 공간이다.

• PermGen 영역 : Java 8  이전 버전에서는 Perm 영역이 메소드 영역을 관리했지만, Java 8부터는 Metaspace로 변경되었다. Metaspace는 Native 메모리르 사용해 더 유연한 메모리 관리를 제공한다.

객체 지향 개념과의 연관성

• 클래스 로딩: 클래스 로더(Class Loader)에 의해 클래스가 로드되고, 그 메타데이터가 메서드 영역에 저장된다.
• 정적 멤버 : 정적 메서드와 변수는 메서드 영역에 저장되어 클래스 수준에서 공유된다.

장점

• 클래스와 메서드의 메타데이터를 중앙에서 관리하여 효율적으로 접근할 수 있다.
• 정적 변수와 메서드를 공유해 프로그램의 일관성을 유지한다.

단점

• 메서드 영역의 크기가 제한적이며, 많은 클래스가 로드되면 메모리 부족 문제를 일으킬 수 있다.

예

public class Example {
    // 메서드 영역에 저장되는 정적 변수
    static int staticVariable = 10;
    
    public static void staticMethod() {
        // 메서드 영역에 저장되는 정적 메서드
    }
}

 

2. Heap 힙 영역

객체 인스턴스가 생성되는 공간이다.

new 연산자를 통해 생성된 객체들(배열 포함)은 모두 힙 영역에 할당된다.

Garbage Collector(GC)에 의해 관리되며, 더 이상 참조되지 않는 객체는 자동으로 회수된다.

힙 영역은 프로그램 실행 중에 동적으로 변경될 수 있다.

구조적으로 큰 메모리 공간을 가진다.

 

객체 지향 개념과의 연관성

• 객체와 클래스: 객체 지향 프로그래밍에서 모든 데이터는 객체 형태로 표현되며, 객체는 힙 메모리에 저장된다.
• 인스턴스 : 클래스의 인스턴스는 힙 메모리에 저장되고, 여러 인스턴스가 서로 독립적으로 존재할 수 있다.

 

특징

1. 메모리 할당 및 해제

• 동적 할당 : 객체가 생성되면 힙에 메모리가 할당된다.
• 가비지 컬랙션(Garbage Collection) : 사용되지 않는 객체는 자동으로메모리가 해제된다. 이는 Java의 중요한 메모리 관리 기능 중 하나로, 개발자가 직접 메모리 해제를 관리할 필요는 없다.

2. 데이터 저장

• 객체와 배열 : 모든 객체와 배열은 힙에 저장된다. 객체가 포함하는 다른 객체들(중첩 객체)도 모두 힙에 저장된다.

3. 범위

• 전역 범위 : 힙에 저장된 데이터는 애플리게이션의 전체 수명 동안 유효하다. 즉, 전역적으로 접근이 가능하다.

4. Thread-Safe 아님

• 힙은 여러 스레드 간에 공유되므로, 적절한 동기화 없이 스래드에 안전하지 않다. 따라서 동시성 문제를 피하기 위해 개발자가 직접 스레드 동기화 처리를 해야 한다.

 

예

public class HeapExample {
    public static void main(String[] args) {
        Person person = new Person("Alice", 30); // 힙에 저장되는 객체
        person.displayInfo();
    }
}

class Person {
    String name; // 참조 변수
    int age;     // 기본 데이터 타입

    Person(String name, int age) {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }

    void displayInfo() {
        System.out.println("Name: " + name + ", Age: " + age);
    }
}

 

• 'Person' 객체는 힙 메모리에 저장된다. 
• 객체의 멤버변수 'name'과 'age' 역시 힙에 저장된다.

힙의 한계

• 메모리 사용량 증가 : 많은 객체를 생성하며 힙 메모리 사용량이 증가한다. 메모리 누수(memory leak)가 발생하지 않도록 주의해야 한다.
• 가비지 컬렉션 오버헤드 : 가비지 컬렉션이 실행되면 애플리케이션의 성능에 영향을 미칠 수 있다. 특히 힙 메모리가 크거나 각비지 컬렉션이 빈번히 일어나는 경우 이러한 문제가 발생할 수 있다. 

3. Stack 스택 영역

메서드 호출 시마다 스택 프레임(stack frames)이 생성되는 영역이다.

스택 프레임에는 지역 변수, 매개변수, 반환 주소 등이 저장된다.

메서드가 종료되면 스택 프레임이 해제된다.

스택 영역은 LIFO(Last In First Out) 방식으로 관리된다.

각 스레드는 자신의 스택 메모리를 가지고 있다.

 

객체 지향 개념과의 연관성

• 메서드 호출과 실행: 객체의 메서드를 호출할 떄 스택 메모리를 사용해 실행 환경을 구성한다.
• 지역 변수 : 메서드의 지역 변수는 스택 메모리에 저장되며, 메서드 종료 시 자동으로 해제된다.

 

특징

1. 메모리 할당 및 해제

• 자동 관리 : 메소드가 호출되면 메모리가 자동으로 할당되고, 메소드 실행이 끝나면 메모리가 자동으로 해제된다.
• 빠른 접근 : 스택은 LIFO 구조이므로 가장 마지막에 추가된 데이터에 대한 접근이 빠르다

2. 데이터 저장

• 프리미티브 타입 : int, double, boolean 등의 기본 데이터 타입은 스택에 직접 저아된다.
• 참조 변수 : 객체의 참조가 스택에 저장되며, 실제 객체 데이터는 힙에 저장된다.

3. 범위

• 블록 레벨 : 변수의 유효 범위는 코드 블록 내에서만 유효하다. 블록을 벗어나면 자동으로 메모리가 해제된다.

4. Thread-Safe

• 각 스레드는 사진의 스택을 가지고 있으므로, 다른 스레드와 공유되지 않아 기본적으로 스레드 안전하다

예시

public class StackExample {
    public static void main(String[] args) {
        int number = 10; // 스택에 저장되는 기본 데이터 타입
        String text = "Hello"; // 스택에 저장되는 참조 타입
        printNumber(number); // 메소드 호출로 새로운 스택 프레임 생성
    }

    public static void printNumber(int num) {
        System.out.println(num);
    }
}

• 'number' 변수는 스택에 저장된다.
• 'printNuber' 메소드 호출 시 새로운 스택 프레임이 생성되어 'num' 매개변수가 그 스택 프레임에 저장된다.

스택의 한계

• 한정된 크기 : 스택 메모리는 한정된 크기를 가지며, 너무 깊은 재귀 호출이나 많은 로컬 변수를 사용하는 경우, 'StackOverflowError'가 발생할 수 있다.

4. Native Method Stack 네이티브 메서드 스택

Java 코드에서 native 키워드로 선언된 네이티브 메서드를 호출할 때 사용되는 영역이다.

네이티브 메서드는 다른 언어(C, C++)로 작성된 메서드를 호출하는 경우에 사용된다.

JNI(Java Native Interface)를 통해 네이티브 메서드를 호출할 때, 이 스택을 사용하여 네이티브 메서드의 호출 정보와 관련된 데이터를 저장한다.

 

객체 지향 개념과의 연관성

• 자바는 순수한 객체 지향 언어로 설계되었지만, 시스템 수준의 작업이나 성능 향상을 위해 네이티브 메서드가 필요할 때 이 스택을 사용한다.

장점

• 네이티브 코드를 효율적으로 실행할 수 있어, 성능 향상 및 시스템 자원에 대한 접근이 가능하다.

단점

• 네이티브 메스드는 JVM의 메모리 관리와 다르게 동작할 수 있으며, 버그나 보안 문제가 발생할 수 있다.

 

5. Program Counter Register 프로그램 카운터 레지스터

현재 실행 중인 JVM 명령어의 주소를 저장하는 레지스터이다.

각 스레드마다 독립적으로 존재하며, 스레드가 실행 중인 명령어는 추적한다.

 

객체 지향 개념과의 연관성

PC 레지스터는 객체 지향의 직접적인 구현과 관련은 없지만, JVM의 명령어 실행을 추적해 객체 메서드 호출을 관리한다.

장점

스레드 간의 실행 흐름을 관리해 멀티스레딩을 지원한다.

단점

특정 명령어 실행 시점에서만 사용되며, 메모리 사용량은 매우 작다

각 영역의 역할과 특징

영역 설명

Method Area	클래스 정보 저장, static 변수, 상수 등
Heap	객체 인스턴스 저장, GC 관리
Stack	메서드 호출 시 스택 프레임 생성, 지역 변수, 매개변수 저장
Native Mathod Stack	네이티브 메서드 호출 시 사용
Program Counter Register	현재 실행 중인 명령어 주소 저장

 

스택과 힙의 차이점

특징	스택 Stack	힙 Heap
저장 구조	LIFO 구조 (Last-In-First-Out)	동적 구조(Dynamic Allocation)
저장 데이터	기본 타입, 참조 변수	객체, 배열
메모리 할당	자동(메소드 호출 시)	수동(new 키워드를 통해 객체 생성 시)
메모리 해제	자동(메소드 종료 시)	가비지 컬렉션에 의해 자동 해제
범위	블록 래벨 (지역 변수)	전역적 범위(객체 전역 접근 가능)
스레드 안전성	스레드 안전(각 스레드에 개별 할당)	스레드 안전하지 않음(여러 스레드 간 공유됨)
성능	빠른 접근(고정 크기, 지역적 데이터)	상대적으로 느림(동적 할당, 전역적 데이터)
크기	제한적(스택 오버플러우 발생 가능)	상대적으로 큼(힙 메모리 부족 가능)

 

자바 메모리 구조의 상호 작용

객체 생성과 메서드 호출

1. 객체 생성

• 클래스를 통해 객체를 생성하면, 해당 객체는 힙 메모리에 저장된다.
• 클래스의 메타데이터는 이미 메서드 영역에 로드되어 있으며, 이 정보를 통해 객체의 인스턴스 변수가 힙에 할당된다.

2. 메서드 호출

• 메서드 호출 시, 스택에 새로운 프레임이 생성되고 메서드의 실행에 필요한 지역 변수가 저장된다.
• 메서드가 실행되면서 객체의 인스턴스 변수에 접근할 수 있으며, 힙에 저장된 객체의 데이터를 수정할 수 있다.

정적 변수와 메서드

• 정적 변수와 메서드는 메서드 영역에 저장되며, 클래스 수준에서 관리된다.
• 모든 인스턴스가 공유할 수 있으며, 인스턴스가 없어도 클래스 이름을 통해 접근할 수 있다.

네이티브 메서드 호출

• 네이티브 메서드는 자바의 네이티브 메서드 스택을 사용해 실행된다.
• JNI를 통해 네이티브 코드를 호출할 때, 자바 객체의 힙 메모리에 있는 데이터를 네이티브 메서드에 전달할 수 있다.

 

메모리 관리

• Garbage Collector : 힙 영역에서 더 이상 사용되지 않는 객체를 자동으로 회수하는 매커니즘
• Stack Overflow : 스택 영역이 가득 차서 더 이상 새로운 스택 프레임을 생성할 수 없는 경우 발생하는 에러. 무한 재귀 호출이나 너무 많은 지역 변수 사용이 원인이 될 수 있다.
• OutOfMemoryError : 힘 영역에 더 이상 객체를 할당할 공간이 없을 때 발생하는 에러. 메모리 누수나 너무 큰 객체 생성이  원인이 될 수 있다.