자바 메모리 구조(기초) — Stack / Heap / Method Area

자바 메모리 구조(기초) — Stack / Heap / Method Area

자바 프로그램이 어떻게 메모리를 쓰는지 이해하면, 디버깅·성능·안정성까지 한층 수월해 진다. 이 글에서는 JVM이 사용하는 세 가지 핵심 영역 스택(Stack), 힙(Heap), 메서드 영역(Method Area, JDK 8+에서는 Metaspace) 을 정리한다.

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왜 메모리 구조를 알아야 할까

• 버그 원인 파악: NullPointerException, StackOverflowError, 메모리 누수 등 문제의 뿌리를 이해하게 도니다.

• 성능 최적화: 객체 생성/소멸 비용과 GC의 동작 맥락을 파악해 불필요한 할당을 줄일 수 있다.

• 설계 품질 향상: 불변 객체, 값/참조语 의미, 라이프사이클을 고려한 API 설계가 가능해진다.

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JVM 메모리 큰 그림

• 스택(Stack): 각 스레드마다 존재. 메서드 호출 시 생기는 스택 프레임에 지역 변수, 매개변수, 리턴주소 등이 저장된다. 범위를 벗어나면 즉시 사라진다.

• 힙(Heap): new 로 생성한 모든 객체가 살아가는 공간. 가비지 컬렉터(GC)가 더 이상 참조되지 않는 객체를 회수한다.

• 메서드 영역(Method Area / Metaspace): 클래스 메타데이터(필드/메서드 시그니처, 상수 풀 등), static 필드, 바이트코드 등의 정보를 저장한다. JDK 8부터는 PermGen이 제거되고 네이티브 메모리를 쓰는 Metaspace로 대체되었다.

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1) 스택(Stack) — “메서드의 작업대”

핵심 개념

• 스택은 스레드별로 하나씩 존재한다. 스레드가 많을수록 스택도 많아진다.

• 메서드를 호출할 때마다 스택 프레임이 쌓였다가, 메서드가 끝나면 해당 프레임이 즉시 제거된다.

• 지역 변수(기본형 값, 객체에 대한 참조값)와 매개변수는 스택 프레임 안에 위치한다.

예제: 스택 프레임과 지역 변수

public class StackDemo {
    public static void main(String[] args) {
        int a = 10;                 // 스택(main 프레임)
        int b = add(a, 5);          // add 프레임 생성
        System.out.println(b);
    }
    static int add(int x, int y) {  // 스택(add 프레임)
        int sum = x + y;            // 지역 변수 sum
        return sum;                 // 프레임 제거 후 main으로 복귀
    }
}

자주 하는 오해

• “기본형은 항상 스택”: 지역 변수일 때만 그렇다. 객체의 필드로 존재하는 기본형은 힙의 객체 내부에 저장된다.

• 재귀 호출 깊이가 너무 깊으면 StackOverflowError 가 난다다.

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2) 힙(Heap) — “객체들이 살아가는 곳”

핵심 개념

• new 로 생성한 모든 객체와 배열은 힙에 올라간다.

• 변수에는 객체 자체가 아니라 객체를 가리키는 참조값이 담긴다.

• 더 이상 참조되지 않는 객체는 GC가 회수한다. 회수 시점은 JVM의 판단에 따르며 즉각적이지 않을 수 있다.

예제: 참조 전달과 객체 상태 변경

class Box { int v; }

public class HeapDemo {
    static void reassign(Box b) { b = new Box(); b.v = 99; } // 참조 재할당(원본 영향 없음)
    static void mutate(Box b)   { b.v = 99; }                // 같은 객체의 상태 변경(원본 영향 있음)

    public static void main(String[] args) {
        Box box = new Box(); // 힙에 Box 객체 생성
        box.v = 1;

        reassign(box);
        System.out.println(box.v); // 1 (원본 참조는 그대로)

        mutate(box);
        System.out.println(box.v); // 99 (같은 객체의 상태가 변함)
    }
}

• 자바는 항상 값에 의한 호출(pass-by-value) 이다. 참조형 인자의 경우 “참조값의 복사본”이 전달된다. 메서드 안에서 참조 재할당은 원본에 영향을 주지 않지만, 객체 상태 변경은 영향을 준다.

한 걸음 더

• HotSpot JVM은 최적화 시 Escape Analysis로 “절대 외부로 새지 않는(short-lived) 객체”를 스택에 올리거나(Scalar Replacement) 할당 자체를 제거하기도 한다. 개념적으로는 “객체는 힙”이 맞지만, 최적화로 예외가 생길 수 있다는 점만 참고하자.

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3) 메서드 영역(Method Area / Metaspace) — “클래스의 설계도 창고”

핵심 개념

• 클래스 메타데이터(이름, 상속, 필드/메서드 시그니처), 런타임 상수 풀(Constant Pool), static 필드, 바이트코드 등이 저장된다.

• JDK 8부터는 메서드 영역 구현이 Metaspace로 바뀌었습니다(네이티브 메모리 사용). 과거 PermGen의 고정 크기 문제(자주 나는 OOME)를 해결하기 위함이다.

• 클래스 로딩 수명은 클래스로더의 수명과 연동됩니다. 특정 클래스로더가 더 이상 reachable 하지 않으면 클래스 언로드가 가능해진다.

예제: static 과 인스턴스의 차이

class Counter {
    static int total; // 메서드 영역(정확히는 클래스 메타데이터의 static 저장 위치)에서 관리
    int value;        // 각 인스턴스마다 힙에 저장

    Counter() { total++; }
}

public class MethodAreaDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Counter c1 = new Counter(); // total=1
        Counter c2 = new Counter(); // total=2
        System.out.println(Counter.total); // 2
        System.out.println(c1.value);      // 0
        System.out.println(c2.value);      // 0
    }
}

문자열 상수와 상수 풀

public class StringPoolDemo {
    public static void main(String[] args) {
        String s1 = "Java";
        String s2 = "Java";
        String s3 = new String("Java");

        System.out.println(s1 == s2); // true (리터럴은 풀 공유)
        System.out.println(s1 == s3); // false (new는 힙에 새 객체)
    }
}

• 문자열 리터럴은 런타임 상수 풀을 통해 공유된다.

• == 는 참조 동일성, equals 는 내용 동등성 비교이다.

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객체가 만들어지고 사라지기까지 — 라이프사이클 정리

1. 클래스 로딩: 클래스로더가 .class 바이트코드를 읽어들인다.

2. 링킹(검증→준비→해결): 형식 검증, static 필드 메모리 할당·기본값 설정, 심볼릭 참조 해소 등을 수행한다.

3. 초기화(Initialization): static 초기화 블록과 static 필드 초기화가 실행된다.

4. 인스턴스 생성:

   • 힙에 메모리 할당 → 0으로 초기화

   • 인스턴스 필드 초기화 → 생성자 호출

5. 사용 및 소멸: 더 이상 참조되지 않으면 GC 후보가 되고, 수거될 수 있다.

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자주 하는 오해와 정리

• 기본형은 “항상 스택”이 아니다. 필드로 있으면 힙의 객체 내부에 저장된다.

• GC는 “즉시” 동작하지 않는다. JVM 정책과 시점에 따라 돌며, 컬렉터 종류에 따라 특성이 다르다.

• == 와 equals 는 다르다. 참조 동일성과 값 동등성을 구분하자.

• 스택은 스레드별로 독립적이다. 멀티스레드 환경에서 스택 간 공유는 없다. 공유는 힙 객체를 통해 이뤄진다.

• 메서드 영역은 JDK 8+에서 Metaspace로 구현된다. 클래스가 많거나 동적 생성이 잦다면 Metaspace 사이즈 설정을 고려하자.

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요약

• 스택: 메서드 호출 단위의 지역 저장소. 프레임이 쌓였다가 즉시 사라진다.

• 힙: new 로 만든 모든 객체의 집. GC가 관리한다.

• 메서드 영역/Metaspace: 클래스 메타데이터, static, 상수 풀, 바이트코드를 담는 공간.