[Java] 자바의 메모리 구조

자바의 메모리 구조

자바(JVM)의 메모리 영역은 heap, stack, static이 전부인것으로 알고있었다. 그런데 구글링을 해보니 블로그마다 설명하는 용어가 조금씩 달랐고 찾으면 찾을수록 처음 들어보는 메모리영역에 대한 설명이 나왔다. 궁극적으로 모두를 포함하는 설명을 찾았는데 이 글에서는 자바의 메모리 영역을 아래처럼 힙 메모리(Heap memory), 비(非) 힙 메모리(Non-Heap memory), 기타의 세 가지로 나누어 설명한다. 한국어로는 힙 ‘영역’이라고 명명하는 것 같아 아래에서는 ‘영역’이라고 표기했다.

힙 영역(Heap memory)

힙 영역은 모든 자바 클래스의 인스턴스(instance)와 배열(array)이 할당되는 곳으로, 런타임(run time) 데이터를 저장하는 영역이다. 힙 영역은 JVM이 시작될 때 생성되어 애플리케이션이 실행되는 동안 크기가 커졌다 작아졌다 한다. 힙 영역의 크기는 -Xms VM option으로 지정된다고 한다. 힙 영역의 크기는 가비지 컬렉션의 전략에 따라 고정된 크기일수도 있고, 유동적으로 변경될 수도 있다. 힙 영역의 최대 크기는 -Xmx option으로 설정되는데, 디폴트로 설정된 힙 영역의 크기는 64MB이다.

힙 영역의 구조(Java(JVM) Heap Memory Structure)

JVM의 힙 영역은 물리적으로 두 부분(two parts 혹은 two generation)으로 나눠진다: nursery(혹은 young space/young generation) 파트와 old space(혹은 old generation)이다.

nursery는 새로운 객체를 할당하기 위해 힙에 확보된 공간이다. nursery가 가득 차면 young collection이라는 것을 실행하여 쓰레기(garbage)를 수집한다. 이 young collection은 nursery에 어느정도 오래 머문 모든 객체들을 old space로 이동시켜 nursery가 더 많은 객체를 할당할 수 있도록 해준다. 이러한 가비지 컬렉션(garbage collection)을 Minor GC라고 한다. nursery는 세 가지 부분으로 나뉜다 - Eden Momory와 두 개의 Survivor Memory 공간(spaces)이다.

비 힙 영역(Non-Heap memory)

비 힙 영역이라는 말이 어색하므로 Non-Heap 영역이라고 표기하겠다. Non-Heap 영역은 힙 영역과 마찬가지로 JVM이 시작할 때 생성된다. 이 영역에는 런타임 상수 풀, 필드 및 메소드 데이터와 같은 클래스 별 구조와 메소드 및 생성자에 대한 코드뿐만 아니라 내부 문자열이 저장된다. 디폴트로 지정된 Non-Heap 영역의 크기는 64MB이며, 이는 XX:MaxPermSize VM option을 통해 변경될 수 있다.

다른 메모리 영역(Other memory)

이 영역은 JVM 자체의 코드와 JVM의 내부 구조, 로드된 프로파일러 에이전트 코드(loaded profiler agent code)와 데이터 등을 저장하기 위해 사용된다.

String이 메모리에 저장되는 방법

자바에서 String을 생성하는 데에는 두 가지 방식이 있다. 하나는 new 연산자를 이용하는 방식이고 다른 하나는 리터럴을 이용하는 방식이다.

리터럴(literal)이란?

컴퓨터 과학 분야에서 리터럴(literal)이란 소스 코드의 고정된 값을 대표하는 용어다.(위키피디아)

예를 들어 String a = "apple";이라고 선언해보자. a라는 변수에 apple이라는 값이 할당될 것이다. 이 때 변수 a는 메모리에 할당된 공간이다. 그리고 apple은 a가 할당된 공간에 저장되는 값이다. 이 값 자체를 리터럴이라고 한다.

두 가지 선언 방식의 차이점을 표로 정리해보았다.

동일한 문자열을 위의 두 가지 방식으로 생성하여 == 연산자와 .equals()로 비교해보면 아래와 같은 결과가 나온다.

public static void main(String[] args) {
    String a = "apple";
    String b = "apple";
    String c = new String("apple");
    
    System.out.println(a == b); // true
    System.out.println(a == c); // false
    
    System.out.println(a.equals(b)); // true
    System.out.println(a.equals(c)); // true
}

Wrapper 클래스와 박싱(Boxing)

래퍼(Wrapper) 클래스의 존재 이유가 무엇일까? 원시 타입(primitive type)의 변수를 객체로 다뤄야 하는 경우가 있기 때문이다. 아래가 대표적인 경우이다.

• 매개변수로 객체가 요구될 때(예. 제네릭)
• 원시타입이 아닌 객체로 저장해야 할 때
• 객체간의 비교가 필요할 때

이 때 원시 타입을 Wrapper 클래스로 변경해주는 것을 박싱(Boxing)이라고 하며, 반대의 경우를 언박싱(Unboxing)이라고 한다. 두 가지 타입을 자동으로 상호 변환해주는 것을 오토박싱(AutoBoxing)이라고 하는데, 자바에서는 오토박싱을 지원한다. 아래의 예시를 통해 살펴보겠다.

public static void main(String[] args) {
    int a = 3;
    Integer b = 5;

    // 아래 두줄 모두 에러가 나지 않는다! 
    int c = b; 
    Integer d = a;
}

int c = b; 코드와 Integer d = a; 코드는 대입값과 다른 타입의 변수에 값을 대입하고 있지만 에러가 발생하지 않는다. 그 이유는 자바에서 오토박싱을 해주었기 때문이다.

참고 자료

• BETSOL - Java Memory Management for Java Virtual Machine (JVM)
• Java Heap Space vs Stack – Memory Allocation in Java
• Java String 의 메모리에 대한 고찰
• [JVM Internal] JVM 메모리 구조
• StackOverflow - Strings are objects in Java, so why don’t we use ‘new’ to create them?
• 마로의 Java(자바) 정리 - 8. 자바 메모리 구조
• 자바 메모리 관리 - 스택 & 힙