김영한의 실전 자바 - 기본편 강의 내용을 정리한 글이다.
1. 자바 메모리 구조
자바의 메모리 구조는 크게 메서드 영역, 스택 영역, 힙 영역 3개로 나눌 수 있다.
자바 메모리 구조 — 메서드 영역 / 스택 영역 / 힙 영역
- 메서드 영역(Method Area): 프로그램을 실행하는 데 필요한 공통 데이터를 관리한다. 이 영역은 프로그램의 모든 영역에서 공유한다.
- 클래스 정보: 클래스의 실행 코드(바이트 코드), 필드, 메서드와 생성자 코드 등 모든 실행 코드가 존재한다.
- static 영역:
static변수들을 보관한다. - 런타임 상수 풀: 프로그램을 실행하는 데 필요한 공통 리터럴 상수를 보관한다. 예를 들어 프로그램에
"hello"라는 리터럴 문자가 있으면 이런 문자를 공통으로 묶어서 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 때마다 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.
스택 영역은 더 정확히는 각 쓰레드별로 하나의 실행 스택이 생성된다. 따라서 쓰레드 수만큼 스택 영역이 생성된다. 지금은 쓰레드를 1개만 사용하므로 스택 영역도 하나이다.
메서드 코드는 메서드 영역에
자바에서 특정 클래스로 100개의 인스턴스를 생성하면, 힙 메모리에 100개의 인스턴스가 생긴다. 각각의 인스턴스는 내부에 변수와 메서드를 가진다. 같은 클래스로부터 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. 인스턴스의 메서드를 호출하면 실제로는 메서드 영역에 있는 코드를 불러서 수행한다.
2. 스택과 큐 자료 구조
자바 메모리 구조 중 스택 영역에 대해 알아보기 전에 먼저 스택(Stack)이라는 자료 구조에 대해서 알아보자.
후입 선출(LIFO, Last In First Out)
스택은 위쪽으로만 열려 있는 통이다. 블록을 넣고 빼는 곳이 동일하기 때문에, 나중에 넣은 것이 가장 먼저 나오는 구조다. 순서는 다음과 같다.
1(넣기) → 2(넣기) → 3(넣기) → 3(빼기) → 2(빼기) → 1(빼기)
스택 구조 — LIFO(Last In First Out)
선입 선출(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. 위로 넣고 아래로 빼는 구조다. 순서는 다음과 같다.
1(넣기) → 2(넣기) → 3(넣기) → 1(빼기) → 2(빼기) → 3(빼기)
이런 자료 구조는 각자 필요한 영역이 있다. 예를 들어 선착순 이벤트를 하는데 고객이 대기해야 한다면 큐 자료 구조를 사용해야 한다. 이번 시간에 중요한 것은 스택이다. 프로그램 실행과 메서드 호출에는 스택 구조가 적합하다.
3. 스택 영역
다음 코드를 실행하면 스택 영역에서 어떤 변화가 있는지 확인해보자.
JavaMemoryMain1
실행 결과
호출 순서에 따른 스택 프레임 변화를 그림으로 살펴보자.
메서드 호출 순서에 따른 스택 프레임 생성
- 처음 자바 프로그램을 실행하면
main()을 실행한다. 이때main()을 위한 스택 프레임이 하나 생성된다. main()은method1()을 호출한다.method1()스택 프레임이 생성된다.method1()은m1,cal지역 변수(매개변수 포함)를 가지므로 해당 지역 변수들이 스택 프레임에 포함된다.method1()은method2()를 호출한다.method2()스택 프레임이 생성된다.method2()는m2지역 변수(매개변수 포함)를 가지므로 해당 지역 변수가 스택 프레임에 포함된다.
메서드가 종료되면 해당 스택 프레임이 제거되고, method2() → method1() → main() 순서로 스택 프레임이 빠진다. 스택 프레임이 모두 제거되면 프로그램도 종료된다.
스택 영역 정리
- 자바는 스택 영역을 사용해서 메서드 호출과 지역 변수(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.
4. 스택 영역과 힙 영역
이번에는 스택 영역과 힙 영역이 함께 사용되는 경우를 알아보자.
Data
JavaMemoryMain2
실행 결과
main()→method1()→method2()순서로 호출하는 단순한 코드이다.method1()에서Data클래스의 인스턴스를 생성한다.method1()에서method2()를 호출할 때 매개변수에Data인스턴스의 참조값을 전달한다.
method2() 실행 시 — data1, data2 모두 x001 인스턴스를 참조
method1()은method2()를 호출하면서Datadata2매개변수에x001참조값을 넘긴다.- 이제
method1()에 있는data1과method2()에 있는data2지역 변수(매개변수 포함)는 둘 다 같은x001인스턴스를 참조한다. method2()가 종료되면method2()스택 프레임이 제거되면서 매개변수data2도 함께 제거된다.method1()이 종료되면method1()스택 프레임이 제거되면서 지역 변수data1도 함께 제거된다.method1()종료 직후에는x001참조값을 가진Data인스턴스를 참조하는 곳이 더 없다. GC(가비지 컬렉션)은 이렇게 참조가 모두 사라진 인스턴스를 찾아서 메모리에서 제거한다.
힙 영역 외부가 아닌, 힙 영역 안에서만 인스턴스끼리 서로 참조하는 경우에도 GC의 대상이 된다.
지역 변수는 스택 영역에, 객체(인스턴스)는 힙 영역에 관리되는 것을 확인했다. 이제 나머지 하나가 남았다. 바로 메서드 영역이다. 메서드 영역이 관리하는 변수도 있다. 이것을 이해하기 위해서는 먼저 static 키워드를 알아야 한다. static 키워드는 메서드 영역과 밀접한 연관이 있다.
5. static 변수1
static 키워드는 주로 멤버 변수와 메서드에 사용된다. 먼저 멤버 변수에 static 키워드가 왜 필요한지 이해하기 위해 간단한 예제를 만들어보자. 특정 클래스를 통해서 생성된 객체의 수를 세는 단순한 프로그램이다.
인스턴스 내부 변수에 카운트 저장
먼저 생성할 인스턴스 내부에 카운트를 저장하겠다.
Data1
DataCountMain1
실행 결과
이 프로그램은 당연히 기대한 대로 작동하지 않는다. 객체를 생성할 때마다 Data1 인스턴스는 새로 만들어진다. 그리고 인스턴스에 포함된 count 변수도 새로 만들어지기 때문이다. 인스턴스에 사용되는 멤버 변수 count 값은 인스턴스끼리 서로 공유되지 않는다. 이 문제를 해결하려면 변수를 서로 공유해야 한다.
외부 인스턴스에 카운트 저장
이번에는 카운트 값을 저장하는 별도의 객체를 만들어보자.
Counter
Data2
DataCountMain2
실행 결과
Counter 인스턴스를 공용으로 사용한 덕분에 객체를 생성할 때마다 값을 정확하게 증가시킬 수 있다. 그런데 여기에는 약간 불편한 점들이 있다.
Data2클래스와 관련된 일인데,Counter라는 별도의 클래스를 추가로 사용해야 한다.- 생성자의 매개변수도 추가되고, 생성자가 복잡해진다. 생성자를 호출하는 부분도 복잡해진다.
6. static 변수2
static 변수 사용
특정 클래스에서 공용으로 함께 사용할 수 있는 변수를 만들 수 있다면 편리할 것이다. static 키워드를 사용하면 공용으로 함께 사용하는 변수를 만들 수 있다.
Data3
DataCountMain3
count 정적 변수에 접근하는 방법이 조금 특이하다. Data3.count와 같이 클래스명에 .(dot)을 사용한다. 마치 클래스에 직접 접근하는 것처럼 느껴진다.
실행 결과
static 변수는 메서드 영역의 static 영역에서 관리된다
static이 붙은 멤버 변수는 메서드 영역에서 관리한다.static이 붙은 멤버 변수count는 인스턴스 영역에 생성되지 않는다. 대신에 메서드 영역에서 이 변수를 관리한다.- 인스턴스를 생성할 때마다 생성자에서
count++코드가 있다.count는static이 붙은 정적 변수다. 정적 변수는 인스턴스 영역이 아니라 메서드 영역에서 관리한다. 따라서 이 경우 메서드 영역에 있는count의 값이 하나씩 증가된다.
static 변수를 사용한 덕분에 공용 변수를 사용해서 편리하게 문제를 해결할 수 있었다.
정리: static 변수는 쉽게 이야기해서 클래스인 붕어빵 틀이 특별히 관리하는 변수이다. 붕어빵 틀은 1개이므로 클래스 변수도 하나만 존재한다. 반면에 인스턴스 변수는 붕어빵인 인스턴스의 수만큼 존재한다.
7. static 변수3
용어 정리
예제 코드에서 name, count는 둘 다 멤버 변수이다. 멤버 변수(필드)는 static이 붙은 것과 아닌 것에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.
| 구분 | 명칭 | 예시 | 특징 |
|---|---|---|---|
| 인스턴스 변수 | static이 붙지 않은 멤버 변수 | name |
인스턴스를 생성해야 사용 가능. 인스턴스마다 새로 만들어짐 |
| 클래스 변수 | static이 붙은 멤버 변수 | count |
클래스 변수, 정적 변수, static 변수 등으로 부름. JVM 로딩 시 1개 생성. 여러 곳에서 공유하는 목적으로 사용 |
변수와 생명주기
- 지역 변수(매개변수 포함): 스택 영역에 있는 스택 프레임 안에 보관된다. 메서드가 종료되면 스택 프레임도 제거되는데 이때 해당 스택 프레임에 포함된 지역 변수도 함께 제거된다. 따라서 지역 변수는 생존 주기가 짧다.
- 인스턴스 변수: 인스턴스에 있는 멤버 변수를 인스턴스 변수라 한다. 인스턴스 변수는 힙 영역을 사용한다. 힙 영역은 GC(가비지 컬렉션)가 발생하기 전까지는 생존하기 때문에 보통 지역 변수보다 생존 주기가 길다.
- 클래스 변수: 클래스 변수는 메서드 영역의
static영역에 보관되는 변수이다. 메서드 영역은 프로그램 전체에서 사용하는 공용 공간이다. 클래스 변수는 해당 클래스가 JVM에 로딩되는 순간 생성된다. 그리고 JVM이 종료될 때까지 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 시점에 딱 만들어지고, 프로그램 종료 시점에 제거된다. 정적 변수는 이름 그대로 정적이다.
정적 변수 접근법
static 변수는 클래스를 통해 바로 접근할 수도 있고, 인스턴스를 통해서도 접근할 수 있다.
둘의 차이는 없다. 둘 다 결과적으로 정적 변수에 접근한다. 하지만 정적 변수의 경우 인스턴스를 통한 접근은 추천하지 않는다. 코드를 읽을 때 마치 인스턴스 변수에 접근하는 것처럼 오해할 수 있기 때문이다. 정적 변수는 클래스에서 공용으로 관리하기 때문에 클래스를 통해서 접근하는 것이 더 명확하다. 따라서 정적 변수에 접근할 때는 클래스를 통해서 접근하자.
8. static 메서드1
이번에는 static이 붙은 메서드에 대해 알아보자. 특정 문자열을 꾸며주는 간단한 기능을 만들어보자. 예를 들어서 "hello"라는 문자열 앞 뒤에 *을 붙여서 "*hello*"와 같이 꾸며주는 기능이다.
인스턴스 메서드
DecoUtil1
실행 결과
앞서 개발한 deco() 메서드를 호출하기 위해서는 DecoUtil1의 인스턴스를 먼저 생성해야 한다. 그런데 deco()라는 기능은 멤버 변수도 없고, 단순히 기능만 제공할 뿐이다. 인스턴스가 필요한 이유는 멤버 변수(인스턴스 변수)등을 사용하는 목적이 큰데, 이 메서드는 사용하는 인스턴스 변수도 없고 단순히 기능만 제공한다.
static 메서드
DecoUtil2
실행 결과
DecoUtil2.deco(s) 코드를 보자. static이 붙은 정적 메서드는 객체 생성 없이 클래스명 + .(dot) + 메서드 명으로 바로 호출할 수 있다. 정적 메서드 덕분에 불필요한 객체 생성 없이 편리하게 메서드를 사용했다.
메서드 앞에도 static을 붙일 수 있다. 이것을 정적 메서드 또는 클래스 메서드라 한다. static이 붙지 않은 메서드는 인스턴스를 생성해야 호출할 수 있다. 이것을 인스턴스 메서드라 한다.
9. static 메서드2
정적 메서드 사용법
static메서드는static만 사용할 수 있다.- 클래스 내부의 기능을 사용할 때, 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.
- 클래스 내부의 기능을 사용할 때, 정적 메서드는
- 반대로 모든 곳에서
static을 호출할 수 있다.- 정적 메서드는 공용 기능이다. 따라서 접근 제어자만 허락한다면 클래스를 통해 모든 곳에서
static을 호출할 수 있다.
- 정적 메서드는 공용 기능이다. 따라서 접근 제어자만 허락한다면 클래스를 통해 모든 곳에서
DecoData
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.
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.
DecoDataMain
실행 결과
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 참조값 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.
10. static 메서드3
멤버 메서드의 종류
| 구분 | 명칭 | 특징 |
|---|---|---|
| 인스턴스 메서드 | static이 붙지 않은 멤버 메서드 |
인스턴스를 생성해야 호출 가능. 인스턴스에 소속 |
| 클래스 메서드 | static이 붙은 멤버 메서드 |
클래스 메서드, 정적 메서드, static 메서드 등으로 부름. 인스턴스 없이 클래스로 직접 호출 |
static이 붙지 않은 멤버 메서드는 인스턴스를 생성해야 사용할 수 있고, 인스턴스에 소속되어 있다. 따라서 인스턴스 메서드라 한다. static이 붙은 멤버 메서드는 인스턴스와 무관하게 클래스에 바로 접근해서 사용할 수 있고, 클래스 자체에 소속되어 있다. 따라서 클래스 메서드라 한다.
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 접근법
static 메서드는 static 변수와 마찬가지로 클래스를 통해 바로 접근할 수도 있고, 인스턴스를 통해서도 접근할 수 있다. 하지만 정적 메서드의 경우 인스턴스를 통한 접근은 추천하지 않는다. 왜냐하면 코드를 읽을 때 마치 인스턴스 메서드에 접근하는 것처럼 오해할 수 있기 때문이다. 정적 메서드는 클래스에서 공용으로 관리하기 때문에 클래스를 통해서 접근하는 것이 더 명확하다. 따라서 정적 메서드에 접근할 때는 클래스를 통해서 접근하자.
static import
정적 메서드를 사용할 때 해당 메서드를 다음과 같이 자주 호출해야 한다면 static import 기능을 고려하자.
이 기능을 사용하면 다음과 같이 클래스 명을 생략하고 메서드를 호출할 수 있다.
DecoDataMain - static import 적용
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 메서드뿐만 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 말하자면 정적 메서드는 같은 클래스 내부에서 정적 메서드만 호출할 수 있다. 따라서 정적 메서드인 main() 메서드가 같은 클래스에서 호출하는 메서드도 정적 메서드로 선언해서 사용했다.
main() 메서드와 static 메서드 호출 예
11. 정리
| 구분 | 위치 | 생명주기 | 접근 방법 |
|---|---|---|---|
| 지역 변수 | 스택 영역 (스택 프레임) | 메서드 종료 시 제거 | 해당 스코프 내부 |
| 인스턴스 변수 | 힙 영역 | GC 제거 전까지 | 인스턴스 참조값을 통해 |
| 클래스 변수(static) | 메서드 영역 (static 영역) | JVM 종료 시까지 | 클래스명.변수명 |
| 인스턴스 메서드 | 메서드 영역 (공용 코드) | 클래스 로딩 시부터 | 인스턴스 생성 후 호출 |
| 클래스 메서드(static) | 메서드 영역 (static 영역) | JVM 종료 시까지 | 클래스명.메서드명() |
- 정적 메서드는 static 변수, static 메서드만 사용할 수 있다. 인스턴스 변수, 인스턴스 메서드에는 접근할 수 없다.
- 인스턴스 메서드는 static 포함 모든 것에 접근할 수 있다.
- 정적 변수와 정적 메서드에 접근할 때는 인스턴스를 통하지 말고 클래스명을 통해서 접근하자. 코드의 의미가 명확해진다.
static import를 사용하면 정적 메서드나 정적 변수를 클래스명 없이 사용할 수 있다.main()메서드는 static 메서드이므로 같은 클래스에서 호출하는 메서드도 static으로 선언해야 한다.
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