JVM의메모리구조

JVM의 메모리구조
응용프로그램이 실행되면, JVM은 시스템으로부터 프로그램을 수행하는데 필요한 메모리를 할당받고 JVM은 이 메모리를 용도에 따라 여러 영역으로 나누어 관리한다.
그 중 3가지 주요영역(Method Area, 호출스택, Heap)에 대해서 알아보도록 하자.



[참고] cv는 클래스변수, lv는 지역변수, iv는 인스턴스변수를 뜻한다.

1. 메소드영역(Method Area)

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

2. 힙(Heap)

- 인스턴스가 생성되는 공간. 프로그램 실행 중 생성되는 인스턴스는 모두 이 곳에 생성된다. 즉, 인스턴스변수(instance variable)들이 생성되는 공간이다.

3. 호출스택(Call Stack 또는 Execution Stack)

호출스택은 메서드의 작업에 필요한 메모리 공간을 제공한다. 메서드가 호출되면, 호출스택에 호출된 메서드를 위한 메모리가 할당되며, 이 메모리는 메서드가 작업을 수행하는 동안 지역변수(매개변수 포함)들과 연산의 중간결과 등을 저장하는데 사용된다. 그리고, 메서드가 작업을 마치게 되면, 할당되었던 메모리공간은 반환되어 비워진다.
각 메서드를 위한 메모리상의 작업공간은 서로 구별되며, 첫 번째로 호출된 메서드를 위한 작업공간이 호출스택의 맨 밑에 마련되고, 첫 번째 메서드 수행중에 다른 메서드를 호출하게 되면, 첫 번째 메서드의 바로 위에 두 번째로 호출된 메서드를 위한 공간이 마련된다.
이 때 첫 번째 메서드는 수행을 멈추고, 두 번째 메서드가 수행되기 시작한다. 두 번째로 호출된 메서드가 수행을 마치게 되면, 두 번째 메서드를 위해 제공되었던 호출스택의 메모리공간이 반환되며, 첫 번째 메서드는 다시 수행을 계속하게 된다. 첫 번째 메서드가 수행을 마치면, 역시 제공되었던 메모리 공간이 호출스택에서 제거되며 호출스택은 완전히 비워지게 된다.
호출스택의 제일 상위에 위치하는 메서드가 현재 실행 중인 메서드이며, 나머지는 대기상태에 있게 된다.
따라서, 호출스택을 조사해 보면 메서드 간의 호출관계와 현재 수행중인 메서드가 어느 것인지 알 수 있다.
호출스택의 특징을 요약해보면 다음과 같다.

- 언제나 호출스택의 제일 위에 있는 메서드가 현재 실행 중인 메서드이다. - 아래에 있는 메서드가 바로 위의 메서드를 호출한 메서드이다.

반환타입(return type)이 있는 메서드는 종료되면서 결과값을 자신을 호출한 메서드(caller)에게 반환한다. 대기상태에 있던 호출한 메서드(caller)는 넘겨받은 반환값으로 수행을 계속 진행하게 된다.

[예제6-6] CallStackTest.java

class CallStackTest {       public static void main(String[] args) {             firstMethod();       }       static void firstMethod() {             secondMethod();       }       static void secondMethod() {             System.out.println("secondMethod()");                   } }

[실행결과]

secondMethod()

위의 예제를 실행시켰을 때, 프로그램이 수행되는 동안 호출스택의 변화를 그림과 함께 살펴보도록 하자



(1)~(2) 위의 예제를 컴파일한 후 실행시키면, JVM에 의해서 main메서드가 호출됨으로써 프로그램이 시작된다. 이때, 호출스택에는 main메서드를 위한 메모리공간이 할당되고 main메서드의 코드가 수행되기 시작한다.
(3) main메서드에서 firstMethod()를 호출한 상태이다. 아직 main메서드가 끝난 것은 아니므로 main메서드는 호출스택에 대기상태로 남아있고 firstMethod()의 수행이 시작된다.
(4) firstMethod()에서 다시 secondMethod()를 호출했다. firstMethod()는 secondMethod()가 수행을 마칠 때까지 대기상태에 있게 된다. seoundMethod()가 수행을 마쳐야 firstMethod()의 나머지 문장들을 수행할 수 있기 때문이다.
(5) secondMethod()에서 println메서드를 호출했다. 이때, println메서드에 의해서 화면에 "secondMethod()"가 출력된다.
(6) println메서드의 수행이 완료되어 호출스택에서 사라지고 자신을 호출한 secondMethod()로 되돌아간다. 대기 중이던 secondMethod()는 println메서드를 호출한 이후부터 수행을 재개한다.
(7) secondMethod()에 더 이상 수행할 코드가 없으므로 종료되고, 자신을 호출한 firstMethod()로 돌아간다.
(8) firstMethod()에도 더 이상 수행할 코드가 없으므로 종료되고, 자신을 호출한 main메서드로 돌아간다.
(9) main메서드에도 더 이상 수행할 코드가 없으므로 종료되어, 호출스택은 완전히 비워지게 되고 프로그램은 종료된다.

[예제6-7] CallStackTest2.java

class CallStackTest2 {       public static void main(String[] args) {             System.out.println("main(String[] args)이 시작되었음.");             firstMethod();             System.out.println("main(String[] args)이 끝났음.");      }       static void firstMethod() {             System.out.println("firstMethod()이 시작되었음.");             secondMethod();             System.out.println("firstMethod()이 끝났음.");                  }       static void secondMethod() {             System.out.println("secondMethod()이 시작되었음.");             System.out.println("secondMethod()이 끝났음.");                  } }

[실행결과]

main(String[] args)이 시작되었음. firstMethod()이 시작되었음. secondMethod()이 시작되었음. secondMethod()이 끝났음. firstMethod()이 끝났음. main(String[] args)이 끝났음.

3.7 기본형 매개변수와 참조형 매개변수

자바에서는 메서드를 호출할 때 매개변수로 지정한 값을 메서드의 매개변수에 복사해서 넘겨준다. 매개변수의 타입이 기본형(Primitive type)이면 때는 기본형 값이 복사되겠지만, 참조형(Reference type)이면 인스턴스의 주소가 복사된다.
메서드의 매개변수를 기본형으로 선언하면 단순히 저장된 값만 얻지만, 참조형으로 선언하면 값이 저장된 곳의 주소를 알 수 있기 때문에 값을 읽어 오는 것은 물론 값을 변경하는 것도 가능하다.

기본형 매개변수 - 변수의 값을 읽기만 할 수 있다.(read only) 참조형 매개변수 - 변수의 값을 읽고 변경할 수 있다.(read & write)

[예제6-8] ParameterTest.java

class Data { int x; } class ParameterTest {       public static void main(String[] args) {             Data d = new Data();             d.x = 10;             System.out.println("main() : x = " + d.x);             change(d.x);             System.out.println("After change(d.x)");             System.out.println("main() : x = " + d.x);       }       static void change(int x) {             x = 1000;             System.out.println("change() : x = " + x);       } }

[실행결과]

main() : x = 10 change() : x = 1000 After change(d.x) main() : x = 10

[플래시동영상]플래시동영상 자료실에서 기본형 매개변수 vs. 참조형매개변수(PrimitiveParam.swf vs. ReferenceParam.swf)를 보면 실행과정과 함께 자세히 설명하고 있으니 여기서는 자세한 설명은 생략하겠다.

[예제6-9] ParameterTest2.java

class Data { int x; } class ParameterTest2 {       public static void main(String[] args) {             Data d = new Data();             d.x = 10;             System.out.println("main() : x = " + d.x);             change(d);             System.out.println("After change(d)");             System.out.println("main() : x = " + d.x);       }       static void change(Data d) {             d.x = 1000;             System.out.println("change() : x = " + d.x);       } }

[실행결과]

main() : x = 10 change() : x = 1000 After change(d) main() : x = 1000

3.8 재귀호출(Recursive Call)

메서드의 내부에서 메서드 자기자신을 다시 호출하는 것을 재귀호출(Recursive Call)이라 한다. 반복적인 작업을 해야 하는 메서드에 재귀호출을 이용하면, 메서드를 훨씬 간단하게 할 수 있는 경우가 있다. 하지만, 재귀호출은 다소 효율이 떨어진다는 단점이 있다.

대표적인 재귀호출의 예는 팩토리얼(factorial)을 구하는 것이다. 팩토리얼은 한 숫자를 1이 될 때까지 1씩 감소시켜가면서 계속해서 곱해 나가는 것인데, n!(n은 양의 정수)와 같이 표현한다. 예를 들면, 5! = 5 * 4 * 3 * 2 * 1 = 120이다.
그리고, 팩토리얼을 수학적 함수로 표현하면 아래와 같이 표현할 수 있다.

f(n) = n * f(n-1), 단 f(1) = 1.

다음 예제는 위의 함수를 자바로 구현한 것이다.

[예제6-10] FactorialTest.java

class FactorialTest {       public static void main(String args[]) {             System.out.println(factorial(4));       }       static long factorial(int n) {             long result=0;             if ( n == 1) {                   result = 1;                         } else {                   result = n * factorial(n-1);             // 다시 메서드 자신을 호출한다.             }             return result;       } }

[실행결과]

24

[참고] 삼항연산자 ? : 를 이용하면 factorial메서드를 아래와 같이 더욱 간략하게 표현할 수 있다.

static long factorial(int n) {             return (n == 1) ? 1 : n * factorial(n-1); }

위 예제는 팩토리얼을 계산하는 메서드를 구현하고 테스트하는 것이다. factorial메서드가 main메서드와 같은 클래스내의 static메서드이므로 인스턴스를 생성하지 않고 직접 호출할 수 있다.
메서드가 자기자신을 다시 호출을 함으로써 반복문을 사용하지 않고도 반복적인 작업을 수행하도록 할 수 있다. 재귀호출은 반복문이 무한반복에 빠지는 것 처럼 무한호출이 되기 쉬우므로 주의해야한다.

[예제6-11] MainTest.java

class MainTest {       public static void main(String args[]) {             main(null);             // 자기자신을 다시 호출한다.      } }

[실행결과]

java.lang.StackOverflowError       at MainTest.main(MainTest.java:3)       at MainTest.main(MainTest.java:3)       ...       at MainTest.main(MainTest.java:3)       at MainTest.main(MainTest.java:3)

main메서드 역시 자기자신을 호출하는 것이 가능한데, 아무런 조건도 없이 계속해서 자기자신을 다시 호출하기 때문에 무한호출에 빠지게 된다.
main메서드가 종료되지 않고 호출스택에 계속해서 쌓이게 되므로 결국 호출스택의 메모리 한계를 넘게 되고 StackOverflowError가 발생하여 프로그램은 비정상적으로 종료된다.

[예제6-12] PowerTest.java

class PowerTest {       public static void main(String[] args) {             int x = 2;             int n = 5;             long result = 0;             for(int i=1; i<=n; i++) {                   result += power(x, i);             }             System.out.println(result);       }       static long power(int x, int n) {             if(n==1) return x;             return x * power(x, n-1);       } }

[실행결과]

62

x의 1제곱부터 x의 n제곱까지의 합을 구하는 예제이다. 재귀호출을 사용하여 x의 n제곱을 구하는 power메서드를 작성하였다. x는 2, n은 5로 계산했기 때문에 2¹ + 2² + 2³ + 2⁴ + 2⁵의 결과인 62가 출력되었다.