[Java] JVM의 메모리 구조와 클래스 멤버 - 코딩밥상

JVM의 메모리 구조

 응용 프로그램이 실행되면, JVM은 시스템으로부터 프로그램을 수행하는데 필요한 메모리를 할당받고 JVM은 이 메모리를 용도에 따라 여러 영역으로 나누어 관리한다.

그 중 3가지 주요 영역(Method Area, Heap Area, Stack Area)먼저 정리해보자.

출처 : https://kotlinworld.com/3

 

1. 메서드 영역(Method Area)

프로그램 실행 중 어떤 클래스가 사용되면, JVM은 해당 클래스의 클래스파일(*.class)을 읽어서 분석하여 클래스에 대한 정보(클래스 데이터)를 이곳에 저장한다. 이 때, 그 클래스의 클래스변수도(class variable)도 이 영역에 함께 생성된다.

 

2. 힙(Heap)

인스턴스가 생성되는 공간으로 프로그램 실행 중 생성되는 인스턴스는 모두 이곳에 생성된다.

즉 인스턴스 변수(instance variable)들이 생성되는 공간이다.

 

3. 호출 스택(call stack 또는 execuation stack)

메서드의 작업에 필요한 메모리 공간을 제공한다. 

 즉 메서드가 호출되면, 호출 스택에 호출된 메서드를 위한 메모리가 할당되며, 이 메모리는 메서드가 작업을 수행하는 동안 지역변수(매개변수 포함)들과 연산의 중간결과 등을 저장하는데 사용된다. 그리고 메서드가 작업을 마치면 할당되었던 메모리 공간은 반환되어 비워진다.

 각 메서드를 위한 메모리 사의 작업공간은 서로 구별되며, 스택 구조(LIFO)를 갖는다. 따라서 메서드 수행 중 다른 메서드를 호출하면, 바로 위에 새로 호출된 메서드를 위한 공간이 위에 마련된다. 또한 호출 스택의 가장 상위에 위치하는 메서드가 현재 실행 중인 메서드이며, 나머지는 대기상태에 있게 된다.

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선언 위치에 따른 변수의 종류

 변수의 종류를 결정짓는 중요한 요소는 '변수의 선언된 위치'이므로 변수의 종류를 파악하기 위해서는 변수가 어느 영역에 선언되었는지를 확인하는 것이 중요하다.

멤버 변수를 제외한 나머지 변수들은 모두 지역변수이며, 멤버변수 중 static이 붙은 것은 클래스변수, 붙지 않은 것은 인스턴스변수이다.

 

1. 인스턴스변수(instance variable)

 클래스 영역에 선언되며, 클래스의 인스턴스를 생성할 때 만들어진다. 그렇기 때문에 인스턴스 변수의 값을 읽어 오거나 저장하기 위해서는 먼저 인스턴스를 생성해야 한다.

인스턴스는 독립적인 저장공간을 가지므로 서로 다른 값을 가질 수 있다. 따라서 인스턴스마다 고유한 상태를 유지해야하는 속성의 경우, 인스턴스변수로 선언한다.

 

2. 클래스변수(class variable)

 인스턴스마다 독립적인 저장공간을 갖는 인스턴스변수와 달리, 클래스변수는 모든 인스턴스가 공통된 저장공간을 공유하게 된다. 따라서 한 클래스의 모든 인스턴스들이 공통적인 값을 유지해야하는 속성의 경우, 클래스변수로 선언해야 한다.

클래스 변수는 인스턴스 변수와 달리 인스턴스를 생성하지 않고도 언제라도 바로 사용할 수 있으며, '클래스이름.클래스변수'와 같은 형식으로 사용한다. 

클래스가 '로딩(loading)'될 때 생성되어 프로그램이 종료될 때까지 유지되며, public을 앞에 붙이면 같은 프로그램 내에서 어디서나 접근할 수 있는 '전역변수(global variable)'의 성격을 갖는다.

 

3. 지역변수(local variable)

 매서드 내에 선언되어 매서드 내에서만 사용 가능하며, 메서드가 종료되면 소멸되어 사용 할 수 없게 된다.

클래스 메서드(static 메서드)와 인스턴스 메서드

 변수에서 그랬던 것과 같이, 메서드 앞에 static이 붙어 있으면 클래스메서드이고 붙어 있지 않으면 인스턴스 메서드이다.

클래스 메서드도 객체를 생성하지 않고도 '클래스이름.메서드이름(매개변수)'와 같은 식으로 호출이 가능하다. 반면에 인스턴스 메서드는 반드시 객체를 생성해야만 호출 할 수 있다.

 

 클래스는 '데이터(변수)와 데이터에 관련된 메서드의 집합'이므로, 같은 클래스 내에 있는 메서드와 멤버변수는 아주 밀접한 관계가 있다. 

인스턴스 메서드는 인스턴스 변수와 관련된 작업을 하는, 즉 메서드의 작업을 수행하는데 인스턴스 변수를 필요로 하는 메서드이다. 그런데 인스턴스 변수는 인스턴스를 생성해야만 만들어지므로 인스턴스 메서드 역시 인스턴스를 생성해야만 호출 할 수 있는것이다.

 

 반면에 메서드 중에서 인스턴스와 관계없는(인스턴스 변수나 인스턴스 메서드를 사용하지 않는) 메서드를 클래스 메서드(static 메서드)로 정의한다.

 

 

지금까지 정리한 변수와 메서드의 특성에 대해서 정리해보면

1. 클래스를 설계할 때, 멤버변수 중 모든 인스턴스에 공통으로 사용하는 것에 static을 붙인다.(클래스 변수)
2. 클래스 변수(static변수)는 인스턴스를 생성하지 않아도 사용할 수 있다.                                                                                      =>클래스 변수는 클래스가 메모리에 올라갈 때 이미 자동적으로 생성되기 때문 
3. 클래스 메서드(static메서드)는 인스턴스 변수를 사용할 수 없다.                                                                                                 =>클래스 메서드가 호출되었을 때 인스턴스가 존재하지 않을 수도 있기 때문에 사용을 금지. 반면에 인스턴스 변수나 인스턴스 메서드에서는 static이 붙은 멤버들을 사용하는것이 언제나 가능한데, 인스턴스 변수가 존재한다는 것은 static변수가 이미 메모리에 존재함을 뜻하기 때문
4. 매서드 내에서 인스턴스 변수를 사용하지 않는다면, static을 붙이는 것을 고려한다.                                                                      =>메서드의 호출시간이 짧아지므로 성능 향상(인스턴스 메서드는 실행시 호출되어야할 메서도를 찾는 과정이 추가적으로 필요)

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클래스 멤버와 인스턴스 멤버간의 참조와 호출

 위 내용과 같은 맥락이다.

같은 클래스에 속한 멤버들 간에는 별도의 인스턴스를 생성하지 않고도 서로 참조 또는 호출이 가능하다. 단, 클래스 멤버가 인스턴스 멤버를 참조 또는 호출하고자 하는 경우에는 인스턴스를 생성해야 한다.

그 이유는 안스턴스 멤버가 존재하는 시점에 클래스 멤버는 항상 존재하지만, 클래스 멤버가 존재하는 시점에 인스턴스 멤버가 존재하지 않을 수도 있기 때문이다.