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자바 메모리 구조와 static

자바 메모리 구조

자바의 메모리 구조는 크게 메서드 영역, 스택 영역, 힙 영역 3개로 나눌 수 있다.

메모리 구조 - 비유

  • 메서드 영역 : 클래스 정보를 보관한다. 이 클래스 정보가 붕어빵 틀이다.
  • 스택 영역 : 실제 프로그램이 실행되는 영역이다. 메서드를 실핼할 떄 마다 하나씩 쌓인다.
  • 힙 영역 : 객체(인스턴스)가 생성되는 영역이다. new 명령어를 사용하면 이 영역을 사용한다. 쉽게 이야기해서 붕어빵 틀로부터 생성된 부어빵이 존재하는 공간이다. 참고로 배열도 이 영역에 생성된다.

메모리 구조 - 실제

  • 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 코드등 모든 실행 코드가 존재한다.
    • static 영역 : static 변수들을 보관한다.
    • 런타임 상수 풀 : 프로그램을 실행하는데 필요한 공통 리터럴 상수를 보관한다. 예를 들어서 프로그램에 "hello"라는 리터럴 문자가 있으면 이런 문자를 공통으로 묶어서 관리한다. 이 외에도 프로그램을 효율적으로 관리하기 위한 상수들을 관리한다.
  • 스택 영역(Stack Area) : 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 떄마다 하나의 스택 프레임이 쌓이고, 메서드가 종료되면 해당 스택 프레임이 제거된다.
  • 힙 영역(Heap Area) : 객체(인스턴스)와 배열이 생성되는 영역이다. 가비지 컬렉션(GC)이 이루어지는 주요 영역이며, 더 이상 참조되지 않는 객체는 GC에 의해 제거된다.

참고 : 스택 영역은 더 정확히는 각 쓰레드별로 하나의 실행 스택이 생성된다. 따라서 쓰레드 수 만 큼 스택 영역이 생성된다. 지금은 쓰레드를 1개만 사용하므로 스택영역도 하나이다. 스레드에 대한 부분은 멀티 쓰레드를 학습해야 이해할 수 있다.

메서드 코드는 메서드 영역에

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

정리하면 인스턴스의 메서드를 호출하면 실제로는 메서드 영역에 있는 코드를 불러서 수행한다.

스택과 큐 자료 구조

  • 스택 - 후입선출(LIFO, Last In First Out)

    가장 마자믹에 넣은 값이 가장 먼저 나온다. 이렇게 나중에 넣은 것이 가장 먼저 나오는 것을 후입 선출이라고 하고, 이런 자료 구조를 스택이라 한다.

  • 큐 - 선입선출(FIFO, First In First Out)

    후입 선출과 반대로 가장 먼저 넣은 것이 가장 먼저 나오는 것을 선입 선출이라 한다. 이런 자료 구조를 큐(Queue)라 한다.

이런 자료 구조는 각자 필요한 영역이 있다. 예를 들어서 선착순 이벤트를 하는데 고객이 대기해야 한다면 큐 자료구조를 사용해야 한다. 프로그램 실행과 메서드 호출에는 스택 구조가 적합하다.

스택 영역

public class JavaMemoryMain1 {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("main start");
        method1(10);
        System.out.println("main end");
    }
    static void method1(int m1){
        System.out.println("method1 start");
        int cal = m1*2;
        method2(cal);
        System.out.println("method1 end");
    }
    static void method2(int m2){
        System.out.println("method2 start");
        System.out.println("method2 end");
    }
}
  • 자바는 스택영역을 사용해서 메서드 호출과 지역변수(매개변수 포함)를 관리한다.
  • 메서드를 계속 호출하면 스택 프레임이 계속 쌓인다.
  • 지역 변수(매개변수 포함)는 스택 영역에서 관리한다.
  • 스택 프레임이 종료되면 지역 변수도 함께 제거된다.
  • 스택 프레임이 모두 제거되면 프로그램도 종료된다.

스택 영역과 힘 영역

ublic class Data {
    private int value;

    public Data(int value) {
        this.value = value;
    }

    public int getValue() {
        return value;
    }
}
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(20);
        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");

    }
}
  • 처음 main() 메서드를 실행한다. main() 스택 프레임이 생성된다.
  • main()에서 method1()을 실행한다. method1() 스택 프레임이 생성된다.
  • method1()은 지역 변수로 Data data1을 가지고 있다. 이 지역 변수도 스택 프레임에 포함된다.
  • method1()은 new Dat(10)를 사용해서 힙 영역에 Data 인스턴스를 생성한다. 그리고 참조값을 Data1에 보관한다.
  • method1()은 method2()를 호출하면서 Data data2 매개변수에 X001 참조값을 넘긴다.
  • 이제 method1()에 있는 data1과 method2()에 있는 Data2 지역 변수(매개변수 포함)는 둘다 같은 x001 인스턴스를 참조한다.
  • method2()가 종료된다. method2()의 스택 프레임이 제고되면서 매개변수 data2도 함께 제거된다.
  • method21()이 종료된다. method1()의 스택 프레임이 제거되면서 지역 변수 data1도 함께 제거된다.
  • method1()이 종료된 직후의 상태를 보자. method1()의 스택 프레임이 제거되고 지역 변수 Data1도 함께 제거되었다.
  • 이제 x001 참조값을 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.

참고 : 힙 영역 외부가 아닌, 힙 영역 안에서만 인스턴스끼리 서로참조하는 경우도 GC의 대상이 된다.

static 변수

  • static이 붙은 멤버 변수는 메서드 영역에서 관리한다.
    • static이 붙은 멤버 변수는 인스턴스 영역에 생성되지 않는다. 대신에 메서드 영역에서 이 변수를 관리한다.
  • static 변수는 쉽게 이야기해서 클래스인 붕어빵 틀이 특별히 관리하는 변수이다. 붕어빵 틀은 1개이므로 클래스 변수도 하나만 존재한다. 반면에 인스턴스 변수는 붕어빵의 인스턴스의 수 만큼 존재한다.
    • static이 붙은 정적 변수에 접근하려면 Data3.count와 같이 클래스 명 + .(dot) + 변수명으로 접근하면 된다.

맴버 변수(필드)의 종류

  • 인스턴스 변수 : static이 붙지 않은 멤버 변수, 예) name
    • static이 붙지 않은 멤버 변수는 인스턴스를 생성해야 사용할 수 있고, 인스턴스에 소속되어 있다. 따라서 인스턴스 변수라 한다.
    • 인스턴스 변수는 인스턴스를 만들 때 마다 새로 만들어진다.
  • 클래스 변수 : static이 붙은 멤버 변수, 예) count
    • 클래스 변수, 정적 변수, static 변수등으로 부른다. 용어를 모두 사용하니 주의하자
    • static이 붙은 멤버 변수는 인스턴스와 무관하게 클래스에 바로 접근해서 사용할 수 있고, 클래스 자체에 소속되어 있다. 따라서 클래스 변수라 한다.
    • 클래스 변수는 자바 프로그램을 시작할 떄 딱 1개가 만들어진다. 인스턴스와 다르게 보통 여러곳에서 공유하는 목적으로 사용된다.

변수와 생명주기

  • 지역 변수(매개변수 포함) : 지역 변수는 스택 영역에 있는 스택 프레임 안에 보관된다. 메서드가 종료되면 스택 프레임도 제거 되는데 이때 해당 스택 프레임에 포함된 지역 변수도 함께 제거도니다. 따라서 지역 변수는 생존 주기가 짧다.
  • 인스턴스 변수 : 인스턴스에 있는 멤버 변수를 인스턴스 변수는 힙 영역을 사용한다. 힙 영역은 GC(가비지 컬렉션)가 발생하기 전까지는 생존하기 떄문에 보통 지역 변수보다 생존 주기가 길다.
  • 클래스 변수 : 클래스 변수는 메서드 영역의 static영역에 보관되는 변수이다. 메서드 영역은 프로그램 전체에서 사용하는 공용 공간이다. 이 클래스 변수는 해당 클래스가 JVM에 로딩 되는 순간 생성된다. 그리고 JVM이 종료될때 까지 생명주기가 이어진다. 따라서 가장 긴 생명주기를 가진다.

static이 정적이라는 이유는 바로 여기에 있다. 힙 영역에 생성되는 인스턴스 변수는 동적으로 생성되고 제거된다. 반면에 static인 정적 변수는 거의 프로그램 실행 지점에 딱 만들어지고, 프로그램 종료 시점에 제거 된다. 정적 변수는 이름 그대로 정적이다.

// 인스턴스를 통한 접근
Data3 data4 = new Data3("D");
System.out.println(data4.count);
// 클래스를 통한 접근
System.out.println(Data3.count);

  • 인스턴스를 통한 접근 data4.count

    • 정적 변수의 경우 인스턴스를 통한 접근은 추천하지 않는다. 왜냐하면 코드를 읽을 떄 마치 인스턴스 변수에 접근하는 것처럼 오해할 수 있기 때문이다.

  • 클래스를 통한 접근 Data3.count

    • 정적 변수는 클래스에서 공용으로 관리하기 때문에 클래스를 통해 접근하는 것이 더 명확하다. 따라서 정적 변수에 접근할 때는 클래스를 통해서 접근하자.

static 메서드

정적 메서드는 객체 생성업이 클래스에 있는 메서드를 바로 호출할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 정적 메서드는 언제나 사용할 수 있는 것이 아니다.

  • 클래스 메서드
    • 메서드 앞에도 static을 붙일 수 있다. 이것을 정적 메서드 또는 클래스 메서드라 한다. 정적 메서드라는 용어는 static이 정적이라는 뜻이기 떄문이고, 클래스 메서드라는 용어는 인스턴스 생성 없이 마치 클래스에 있는 메서드를 바로 호출하는 것처럼 느껴지기 때문이다.
  • 인스턴스 메서드
    • static이 붙지 않은 메서드는 인스턴스를 생성해야 호출할 수 있다. 이것을 인스턴스 메서드라 한다.

정적 메서드 사용법

  • static 메서드는 static만 사용할 수 있다.
    • 클래스 내부의 기능을 사용할 떄, 정적 메서드는 static이 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 static을 호출할 수 있다.
public class DecoData {
    private int instanceValue;
    private static int staticValue;

    public static void staticCall(){
        // instanceValue++; 인스턴스 변수 접근, 컴파일 에러
        // instanceMethod(); 인스턴스 메서드 접근, 컴파일 에러
        staticValue++; //정적 변수 접근
        staticMethod(); // 정적 메서드 접근

    }
    public void  instanceCall() {
        instanceValue++;//인스턴스 변수
        instanceMethod();
        staticValue++;
        staticMethod();
    }
    private void instanceMethod() {
        System.out.println("instancValue = " + instanceValue);
    }
    private static void staticMethod(){
        System.out.println("staticValue = " + staticValue);
    }
}
  • instanceValue는 인스턴스 변수이다.
  • staticValue는 정적 변수(클래스 변수)이다.
  • instanceMethod()는 인스턴스 메서드이다.
  • staticMethod()는 정적 메서드(클래스 메서드)이다.

staticCall()메서드를 보자

이 메서드는 정적 메서드이다. 따라서 static만 사용할 수 있다. 정적 변수, 정적 메서드에는 접근할 수 있지만, static이 없는 인스턴스 변수나 인스턴스 메서드에 접근하면 컴파일 오류가 발생한다.

코드를 보면 staticCall() -> staticMethod()로 static에서 static을 호출하는 것을 확인할 수 있다.

instanceCall()메서드를 보자

이 메서드는 인스턴스 메서드이다. 모든 곳에서 공용인 static을 호출할 수 있다. 따라서 정적 변수, 정적 메서드에 접근할 수 있다. 물론 인스턴스 변수, 인스턴스 메서드에도 접근할 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 참조값이 없이 호출한다. 따라서 정적 메서드 내부에서 인스턴스 변수나 인스턴스 메서드를 사용할 수 없다.

물론 당연한 이야기지만 다음과 같이 객체의 참조값을 직접 매개변수로 전달하면 정적 메서드도 인스턴스의 변수나 메서드를 호출할 수 있다.

public static void staticCall(Decodata data){
    data.instanceValue++;
    data.instanceMethod();
}

용어 정리

멤버 메서드의 종류

  • 인스턴스 메서드 : static이 붙지 않은 멤버 메서드
  • 클래스 메서드 : static이 붙은 멤버 메서드
    • 클래스 메서드, 정적 메서드, static 메서드등으로 부른다.

static이 붙지 않은 멤버 메서드는 인스턴스를 생성해야 사용할 수 있고, 인스턴스에 소속되어 있다. 따라서 인스턴스 메서드라 한다. static이 붙은 멤버 메서드는 인스턴스와 무관하게 크래스에 바로 접근해서 사용할 수 있고, 클래스 자체에 소속되어 있다. 따라서 클래스 메서드라 한다.

위 내용은 멤버 변수에도 똑같이 적용된다.

정적 메서드 활용

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

정적 메서드 접근 법

static 메서드는 static 변수와 마찬가지로 클래스를 통해 바로 접근할 수 있고, 인스턴스를 통해서도 접근할 수 있다.

// 인스턴스를 통한 접근
DecoData data3 = new DecoData();
data3.staticCall();
// 클래스를 통한 접근
DecoData.staticCall();
  • 인스턴스를 통한 접근 data3.staticCall()
    • 정적 메서드의 경우 인스턴스를 통한 접근은 추천하지 않는다. 왜냐하면 코드를 읽을 떄 마치 인스턴스 메서드에 접근하는 것 처럼 오해할 수 있기 떄문이다.
  • 클래스를 통한 접근 DecoData.staticCall()
    • 정적 메서드는 클래스에서 공용으로 관리하기 떄문에 클래스를 통해 접근하는 것이 더 명확한다. 따라서 정적 메서드에 접근할 떄는 클래스를 통해 접근하다.

static import

정적 메서드를 사용할 떄 해당 메서드를 다음과 같이 자주 호출해야 한다면 static import 기능을 고려하자

DecoData.staticCall();
DecoData.staticCall();
DecoData.staticCall();

이 기능을 사용하면 다음과 같이 클래스 명을 생략하고 메서드를 호출할 수 있다.

staticCall();
staticCall();
staticCall();

특정 클래스의 정적 메서드 하나만 적용하려면 다음과 같이 생략할 메서드 명을 적어주면 된다.

import static static2.DecoData.staticCall;

특정 클래스의 모든 정적 메서드에 적용하려면 다음과 같이 *을 사용하면 된다.

import static static2.DecoData.*;

참고로 import static은 정적 메서드 뿐만 아니라 정적 변수에도 사용할 수 있다.

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 작동했다. 이것은 main()메서드가 static이기 때문이다.

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

public class ValueDataMain {
  public static void main(String[] args) {
    ValueData valueData = ValueData();
    add(valueData);
  }
  static void add(ValueData valueData) { 
      valueData.value++;
    System.out.println("숫자 증가 value = " + valueData.value);
  } 
}