자바 메모리 모델 - JVM 런타임 데이터 영역 (Runtime Data Area)

개요

자바는 플랫폼 독립적인 프로그래밍 언어로서, JVM(Java Virtual Machine)을 통해 다양한 운영체제에서 동일하게 실행될 수 있습니다. JVM은 자바 애플리케이션의 실행을 관리하며, 이를 위해 여러 가지 메모리 영역을 사용합니다. 이 메모리 영역들은 자바 프로그램이 실행되는 동안 데이터를 저장하고 관리하는 데 중요한 역할을 합니다.

자바 메모리 모델(Java Memory Model, JMM)은 이러한 메모리 영역의 구조와 동작 방식을 정의하여, 자바 프로그램이 일관성 있고 효율적으로 실행될 수 있도록 합니다.

JVM 런타임 데이터 영역(Runtime Data Area)은 자바 애플리케이션이 실행되는 동안 사용되는 여러 메모리 영역으로 구성됩니다. 이들 각각의 영역은 특정한 역할을 담당하며, 프로그램의 상태, 메서드 호출, 객체 생성 및 쓰레드 간의 데이터 공유 등을 관리합니다. JVM 런타임 데이터 영역은 크게 다음과 같은 구성 요소로 나뉩니다

야놀자 테크 스쿨 그룹스터디 발표에서 제가 발표한 내용을 발췌하여 다듬어 보았습니다.

이미지 출처: https://tape22.tistory.com/28

 

1. 메서드 영역(Method Area): 클래스, 메서드, 필드 정보와 상수 풀을 저장합니다.
2. 힙 영역(Heap): 객체와 배열을 저장합니다.
3. 스택 영역(Stack): 각 스레드마다 생성되며, 메서드 호출 시 프레임을 저장합니다.
4. PC 레지스터(Program Counter Register): 현재 실행 중인 명령의 주소를 저장합니다.
5. 네이티브 메서드 스택(Native Method Stack): 네이티브 메서드 호출에 사용됩니다.

 

메서드 영역(Method Area)

메서드 영역(Method Area)은 JVM이 시작될 때 생성되는 공간으로, 바이트 코드(.class)를 메모리 공간에 처음 올릴 때 초기화되는 대상을 저장하기 위한 메모리 공간입니다. 이 영역은 JVM이 동작하면서 클래스가 로드될 때 적재되어 프로그램이 종료될 때까지 유지됩니다. 메서드 영역(Method Area)은 Class Area나 Static Area로도 불리며, 모든 쓰레드가 공유하는 영역입니다. 이 영역에는 다음과 같은 초기화 코드 정보들이 저장됩니다

1. Field Info: 멤버 변수의 이름, 데이터 타입, 접근 제어자의 정보
2. Method Info: 메소드 이름, 반환 타입, 함수 매개변수, 접근 제어자의 정보
3. Type Info: 클래스인지 인터페이스인지 여부, 타입의 속성, 이름, 슈퍼 클래스의 이름

또한 런타임 상수 풀(Runtime Constant Pool): 클래스 파일에 정의된 상수 풀(Constant Pool)도 메서드 영역에 포함됩니다. 이는 상수 값을 저장하고 메서드 호출, 필드 참조 등을 수행하는 데 사용됩니다.

자바에서 문자열 리터럴은 클래스가 로드될 때 메소드 영역의 상수 풀에 저장됩니다. 이는 JVM이 동일한 문자열 리터럴을 공유하도록 하여 메모리 사용을 최적화하기 위해서입니다.

상수 풀에 저장된 문자열 리터럴은 동일한 값을 가진 다른 리터럴이 다시 생성되면, 새로 생성하지 않고 상수 풀에 저장된 기존 리터럴을 참조합니다.

 

메서드 영역은 자바 프로그램 실행 중 중요한 역할을 하며, JVM이 클래스와 메서드를 효율적으로 관리하고 실행할 수 있도록 돕습니다.

 

주요 특징

 

• 클래스 로딩, 링크 및 초기화: 메서드 영역은 JVM이 클래스 로딩, 링크(Linking), 초기화(Initialization) 단계에서 사용됩니다. 클래스 로더는 클래스를 메서드 영역에 로드하고, 링크 단계에서는 메서드 영역의 정보가 사용됩니다.
• 런타임 상수 풀(Runtime Constant Pool): 클래스 파일에 정의된 상수 풀(Constant Pool)도 메서드 영역에 포함됩니다. 이는 상수 값을 저장하고 메서드 호출, 필드 참조 등을 수행하는 데 사용됩니다.
• 쓰레드 안전성: 메서드 영역은 모든 쓰레드가 공유하는 영역이므로, 쓰레드 안전성을 고려해야 합니다. JVM은 내부적으로 이 영역을 보호하기 위한 메커니즘을 가지고 있습니다.

 

 

힙 영역 (Heap Area)

힙 영역은 메서드 영역과 함께 모든 쓰레드가 공유하며, JVM이 관리하는 프로그램 상에서 데이터를 저장하기 위해 런타임 시 동적으로 할당하여 사용하는 영역입니다. 객체와 인스턴스 변수가 이 영역에 저장됩니다.

즉, new 연산자로 생성되는 객체와 인스턴스 변수, 배열 타입 등 참조 타입(Reference Type)이 저장되는 곳입니다. 메서드 영역에 저장된 클래스 정보만을 기반으로 객체가 힙 영역에 생성되어 적재됩니다.

유의할 점은 힙 영역에 생성된 객체와 배열은 참조 타입(Reference Type)으로서, JVM 스택 영역의 변수나 다른 객체의 필드에서 참조된다는 점입니다. 즉, 힙의 참조 주소는 스택이 갖고 있으며, 해당 객체를 통해서만 힙 영역에 있는 인스턴스를 핸들링할 수 있습니다.

힙 영역은 자바 프로그램의 성능과 메모리 사용 효율성을 크게 좌우합니다.

주요특징

1. 동적 할당: 런타임 시 객체와 배열이 동적으로 할당됩니다.
2. 가비지 컬렉션: 사용되지 않는 객체를 자동으로 메모리에서 해제하는 가비지 컬렉션(Garbage Collection)이 수행됩니다.
3. 쓰기 속도와 효율성: 힙 영역은 많은 데이터를 저장하고 관리하기 때문에 효율적인 메모리 관리가 필요합니다.

 

스택 영역(Stack Area)

스택 영역은 int, long, boolean 등 기본 자료형을 생성할 때 저장하는 공간으로, 임시적으로 사용되는 변수나 정보들이 저장되는 영역입니다.

메서드 호출 시마다 각각의 스택 프레임(해당 메서드만을 위한 공간)이 생성됩니다. 이 스택 프레임에는 호출된 메서드의 매개변수, 지역 변수, 리턴 값 및 연산 시 생성되는 값들이 임시로 저장됩니다. 메서드 수행이 끝나면 해당 메서드의 스택 프레임은 삭제됩니다.

스택 영역은 각 쓰레드마다 하나씩 존재하며, 쓰레드가 시작될 때 할당됩니다. 각 쓰레드는 독립적인 스택을 가지므로, 하나의 쓰레드에서 사용하는 변수는 다른 쓰레드에서 접근할 수 없습니다.

 

주요 특징

1. 기본 자료형 저장: int, long, boolean 등 기본 자료형 변수들이 저장됩니다.
2. 스택 프레임: 메서드 호출 시마다 새로운 스택 프레임이 생성되며, 메서드가 종료되면 해당 스택 프레임은 삭제됩니다.
3. 쓰레드별 할당: 각 쓰레드는 독립적인 스택을 가지며, 쓰레드가 시작될 때 할당됩니다.
4. 빠른 접근 속도: 스택은 LIFO(Last In First Out) 구조로 되어 있어, 데이터의 추가와 제거가 매우 빠릅니다.
5. 자동 메모리 관리: 스택 프레임은 메서드 호출과 함께 생성되고 메서드 종료와 함께 삭제되므로, 명시적인 메모리 관리가 필요 없습니다.

스택 영역은 자바 프로그램의 실행 중 메서드 호출과 관련된 모든 데이터를 관리하며, 프로그램의 성능에 중요한 영향을 미칩니다.

 

PC 레지스터 (Program Counter Register)

PC 레지스터는 각 쓰레드가 시작될 때 생성되며, 현재 수행 중인 JVM 명령어의 주소를 저장하는 공간입니다. 이 레지스터는 쓰레드가 어떤 명령어를 실행해야 하는지에 대한 기록을 가지고 있어, 프로그램 실행의 흐름을 제어합니다.

 

주요특징

1. 쓰레드 독립성: 각 쓰레드는 고유한 PC 레지스터를 가집니다. 이는 여러 쓰레드가 동시에 실행될 때, 각 쓰레드가 자신의 실행 위치를 독립적으로 추적할 수 있도록 합니다.
2. 명령어 주소 저장: PC 레지스터는 현재 실행 중인 JVM 명령어의 주소를 저장하며, 다음에 실행될 명령어를 지정합니다. 이는 프로그램 카운터(Program Counter) 역할을 수행합니다.
3. JVM 명령어 제어: JVM이 바이트코드를 실행할 때, PC 레지스터는 현재 명령어와 다음에 실행될 명령어의 위치를 추적하여 프로그램 흐름을 제어합니다.
4. 네이티브 메서드: 네이티브 메서드를 실행할 때, PC 레지스터는 특정 값이 정의되지 않습니다. 이는 네이티브 메서드가 JVM 바이트코드가 아닌 네이티브 코드(C나 C++ 등)로 작성되어 있기 때문입니다.

PC 레지스터는 자바 프로그램의 실행 흐름을 관리하고, 쓰레드가 올바른 순서로 명령어를 실행할 수 있도록 도와줍니다.

 

 

네이티브 메서드 스택(Native Method Stack)

네이티브 메서드 스택(Native Method Stack)은 자바 코드가 컴파일되어 생성되는 바이트코드가 아닌, 실제 실행할 수 있는 기계어로 작성된 프로그램을 실행시키는 영역입니다.

이 스택은 자바 외의 언어(C, C++, 어셈블리 등)로 작성된 네이티브 코드를 실행하기 위한 공간이기도 합니다. 네이티브 메서드 스택은 네이티브 메서드 호출 시 사용하는 메모리 구조를 관리하며, 자바 애플리케이션이 운영 체제나 네이티브 라이브러리와 상호작용할 수 있게 합니다.

 

주요 특징

1. 네이티브 코드 실행: 네이티브 메서드 스택은 C, C++, 어셈블리 등 자바 이외의 언어로 작성된 네이티브 메서드를 실행하기 위한 공간입니다.
2. JNI(Java Native Interface): 자바는 JNI를 통해 네이티브 메서드를 호출하며, 네이티브 메서드 스택은 이 과정에서 사용됩니다.
3. 스레드별 스택: 각 스레드는 고유한 네이티브 메서드 스택을 가지며, 이는 네이티브 메서드 호출 시 스택 프레임을 관리합니다.
4. JVM 구현 의존성: 네이티브 메서드 스택의 구현과 관리 방식은 JVM 구현체에 따라 다를 수 있습니다.

네이티브 메서드 스택은 자바 애플리케이션이 네이티브 메서드를 효율적으로 실행하고 운영 체제의 기능을 활용할 수 있도록 지원하는 중요한 구성 요소입니다.

 

 

 

JVM이 자바 애플리케이션을 실행하는 동안 사용하는 다양한 메모리 영역, 메서드 영역, 힙 영역, 스택 영역, PC 레지스터, 네이티브 메서드 스택에 대해 알아보았습니다. 각 영역은 고유한 역할과 특징을 가지고 있으며, 자바 프로그램의 효율적이고 일관된 실행을 지원합니다.

이러한 메모리 구조에 대한 이해는 자바 애플리케이션 개발과 성능 최적화에 있어서 매우 중요합니다.