[JAVA] JAVA 메모리 이야기 - Stack 과 Heap

하이.. !

 

어느날 회사의 누군가 Java의 메모리가 어떻게 관리되는지에 대해서 물어봤다.

 

대답이 많이 나오지 않았다... 나름대로 Java를 제일 잘한다고 생각했었고, 자신감도 있던 상태라 충격이 컸다..

 

그래서 오늘부터 자바의 기본에 대해 정리를 해보려 한다.

 

부족하겠지만 재밌게 읽어주셨으면 한다.

 

먼저 오늘은 정말 기초적인 내용이다. Java 에서 메모리 관리가 어떻게 이루어지는지를 작성해보도록 하겠다.

 

JVM?

 

먼저 메모리를 알기전에 JVM이 뭔지 간단하게 정리하고 넘어가자.

나는 지금 집에서 윈도우 PC 에서 개발을 하고 글도 적고 하고 있다. 그리고 회사에 가면 Mac Mini도 사용한다. Mac Mini의 OS는 iOS 이다. JVM은 이런 OS의 메모리 영역에 접근해서 Java의 메모리를 관리하는 가상의 프로그램을 의미한다.

 

그런데 이 메모리를 막쓰면 되나? 안된다. 그냥 사용해서는 안되고 누군가 쓸때 할당을 해주고 다쓰고 나면 해제도 해줘야한다. 

C나 C++ 로 개발할 때는 사용자가 직접 관리를 해줬다.

C에서는 calloc, realloc, malloc 같은 걸로 메모리를 할당해서 쓰고나서 free로 해제를 직접해줘야 하고,

C++은 생성자랄 소멸자를 이용해 메모리 관리를 해줘야 했다는 말이다.

 

그런데 이 메모리 관리를 자바에서는 GC(Garbage Collector) 가 해준다.

GC에 대한 내용은 다음에 자세히 다루도록하고 간단하게 이 GC의 기능을 먼저 말해주면 프로그램에서 동적으로 할당된 메모리 영역 중에서 사용하지 않는 영역을 이 GC 가 탐지해서 해제해준다고 정도 알고 넘어가자.

 

Java 의 Stack 과 Heap

 

자바에서 메모리라 함은 Stack 영역과 Heap 영역으로 나뉘어 진다.

 

Stack의 경우에는 정적으로 할당된 메모리 영역이다.

Stack에서는 Primitive 타입 (boolean, char, short, int, long, float, double) 의 데이터가 값이랑 같이할당이 되고,

또 Heap 영역에 생성된 Object 타입의 데이터의 참조 값이 할당 된다.

 

그리고 Stack 의 메모리는 Thread당 하나씩 할당 된다. 만약 새로운 스레드가 생성되면 해당 스레드에 대한 Stack이 새롭게 생성되고, 각 스레드 끼리는 Stack 영역을 접근할 수 가 없다.

 

Heap의 경우에는 동적으로 할당된 메모리 영역이다.

힙 영역에서는 모든 Object 타입의 데이터가 할당이 된다. (참고로 모든 객체는 Object 타입을 상속받는다.)

Heap 영역의 Object를 가리키는 참조변수가 Stack에 할당이 된다. 어플리케이션에서의 모든 메모리 중에서 Stack에 쌓이는 애들 빼고는 전부 이 Heap 쌓인다고 보면 편할듯 하다..

 

근데 보통 이 Heap 영역의 데이터들은 생명주기가 길다. 그 이유는 대부분 Object의 크기가 크고, 서로 다른 코드블럭에서도 공유가 되다 보니 그런것이다. 

 

그리고 Heap 은 Stack 처럼 Thread 마다 하나씩있는게 아니라 여러개의 Thread가 있어도 힙은 단하나의 영역만 존재한다. 헷갈리지 말자.

 

예제 Code

 

이렇게 이론만 말씀드리면 어려울 수 있다. 예제 코드를 통해 설명을 해드리도록하겠다.

public class Main {

    public static void main(String[] args) {
	int age = 32;
	String name = "kang";
        List<String> skills = new ArrayList<>();
        skills.add("java");
        skills.add("js");
        skills.add("c++");

        test(skills);

    }

    public static void test(List<String> list) {
        String mySkill = list.get(0);
        list.add("python");
    }
}

 

여기서 코드를 한줄씩 보도록하자.

main 함수 내부에 

int age = 32;

가 될 때 메모리 영역은 아래 그림처럼 될 것이다. int 가 primitive 타입이기 때문이다.

그리고 그 다음 줄인 

String name = "kang";

이 실행되면 아래 그림처럼 메모리에 할당될 것이다.

String 오브젝트를 가리키는 변수만 Stack 에 쌓이고, String Object 자체는 Heap 에 할당되어 그걸 참조하는 형태로 말이다.

 

여기 까지만 보면 쉽다. 다음 코드를 보자.

List<String> skills = new ArrayList<>();

skill 리스트가 ArrayList로 아직 값이 채워지지않고 생성만됐을 때 상태는 위와 같다.

여기서 값이 Add가 되면 이렇게 된다.

skills.add("java");
skills.add("js");
skills.add("c++");

그림으로 보니깐 이해가 참 잘 되지 않나?? ㅎㅎㅎ 이해가 잘 된다면 다행이다!!

 

자 그러고 다음은 아래의 메서드를 실행할건데

test(skills);

 

이 메서드가 아래와 같이 되어 있다 ㅎㅎ

public static void test(List<String> list) {
	String mySkill = list.get(0);
	list.add("python");
}

 

이 메서드 내부가 실행되면서 이렇게 될 것이다.

메서드의 파라미터인 list는 Heap에 할당 되어 있는 List를 가르킬 것이고

mySkill 은 Heap 영의 "java" String을 참조할 것이다.

그리고 list 3번 index에 "python"이라는 값을 연결 시킨다.

 

그리고 저 메서드가 종료되면서 Stack에서는 Pop이 일어나면서 Stack에 list랑 mySkill은 날라가버린다.

아래 그림처럼 되는 것이다.

 

자 ... 이제 Stack과 Heap에서 어떻게 메모리가 관리되는지 좀 알것이다.

 

그럼 다음 아래 코드를 한번 보자.

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        String name = "kang";
        System.out.println("Before Name : " + name);
        changeName(name);
        System.out.println("After Name 1 : " + name);
        name += " babo";
        System.out.println("After Name 2 : " + name);
    }
    public static void changeName(String s) {
        s += " babo";
    }
}

위의 코드의 결과는 아래와 같은데

 

내가 아까부터 설명했던 이론대로라면 After Name 1 도 kang babo가 나와야 한다.

그런데 왜 그냥 kang이 나온걸까?

 

String name = "kang";

여기 까지의 메모리 상태를 보면 다음과 같다.

자... 그리고

changeName(name);

이 멤서드가 실행될 때 "kang" 오브젝트를 파라미터인  s에다가 복사를 하면서 changeName 메서드가 시작된다.

오잉 여기서 여러분들 이런 의문을 가져야한다.

 

아까 List는 그대로 가리켰는데 얘는 왜 복사한 값을 가리키지?

그건 바로 String이 immutable한 클래스이기 때문이다. 말그대로 변경할수 없는, 불변의 객체라는 말이다.

String 이외에도 immutable한 클래스는 Boolean, Integer, Float, Long, Double 등이 있다. 예상하신대로 mutable한 객체는 List, ArrayList, HashMap 등 컬렉션들이 대표적인 mutable한 객체이다.

 

만약 문자열을 mutable하게 쓰려면 StringBuilder를 사용해주면 된다. StringBuilder의 append메서드를 사용해서 값을 붙여주면 같은 데이터를 그대로 참조한다.

 

public static void changeName(String s) {
	s += " babo";
}

chageName 내부의 로직은 실제로 s에다 " babo"라는 문자열을 더하는 것처럼 보이지만 실제로는 새로운 String을 생성하는 것이다.

하지만 우리가 프린트 찍은 내용은 name 이기때문에 "kang"이라는 결과가 나온 것이다. 

그리고 s는 메서드 끝나면서 pop 될 것이라 사라진다.

 

name += " babo";

다음은 name 에 직접 " babo"를 붙여보면 .. 아래처럼 될 것이다.

그렇기에 "kang babo" 로 값이 나온다.

 

그런데 여기서... ! 여러분들은 이런 의문을 가져야 한다! 그게 바로 무엇이냐면 아래 그림에 빨간 테두리로 쳐져있는 아무것도 연결되지 않은 녀석들이다.

 

 

이런 메모리에서 놀고있는 쓰레기 값들이 늘어나면... 큰일이 날것이다. 이런걸 막아주고 메모리를 관리해주는게 바로 GC다 . GC가 돌고나면 아래처럼 딱 될것이다.

GC는 다음 포스팅에서 좀 구체적으로 다뤄보겠다. ㅎㅎ

 

오늘은 글이 길어질듯하니 여기까지만 작성하도록하겠다. 그럼 즐거운 주말 되시길~~!!