[Java] JVM 메모리 구조 - 런타입 데이터 영역(Runtime Data Area)

전체적 흐름

런타입 데이터 영역(Runtime Data Area)

• 자바 가상 머신 내 런타임 데이터 영역은 실제 클래스 파일이 적재되는 곳으로 자바 가상 머신이 OS로 부터 자바 프로그램 실행을 위한 데이터와 명령어를 저장하기 위해 할당받는 메모리 공간이다.
• JVM의 메모리 구조라 하면 런타입 데이터 영역을 의미한다.
• 런타임 데이터 영역은 2가지 단위로 나누어지는데 JVM 단위와 Thread단위 이다.
  • JVM 단위는 JVM 이 시작될때 단 하나만 생성되며, 모든 스레드가 공유한다. Method Area와 Heap 영역이 JVM단위를 사용한다.
  • Thread 단위는 Thread 마다 하나씩 생성되며 Stack,PC Register, Native Method Stack이 여기에 해당 합니다.

메소드 영역(Method Area)

• class(클래스), 스태틱(Static) 영역이라고 불리는 메소드 영역은 자바 가상 머신이 시작 될 때 생성되는 공간입니다.
• 클래스 로더(Class Loader)에 의해 로드된 클래스 정보를 처음 메모리 공간에 올릴 때 초기화 되는 대상을 저장하는 공간입니다.
• 자바 가상 머신이 동작하고 클래스가 로드될 때 적재되서 프로그램이 종료될 때 까지 저장된다.
• 가장 먼저 데이터가 저장된다
• 모든 스레드에서 정보가 공유된다
• 명시적 Null 선언 시 GC 청소한다.
• 상세하게는 아래와 같은 내용이 저장되면 간단하게는 정적 필드와 클래스 구조만을 가지고 있다고 할 수 있다.
• 타임 정보(Type Info) : 클래스(Class)인지 인터페이스(Interface) 인지 여부 저장, Type의 속성, 이름 Super Class 이름
• 필드 정보(Field Info) : 멤버 변수 이름, 데이터 타입, 접근 제어자 정보
• 메소드 정보(Method Info) : 메소드 이름, 리턴 타입, 접근 제어자 정보

힙(Heap)

• 힙 영역은 모든 스레드가 공유하며 JVM이 관리하는 프로그램 상에서 데이터를 저장하기 위해 런타임 동적으로 할당하여 사용하는 영역 입니다.
• new 연산자로 생성되는 객체(인스턴스)와 배열 타입 등 Reference Type이 저장되는 곳 입니다.
• 메모리 해제는 오직 GC(Garbage Collector)에 의해 수행된다.
• 모든 스레드에서 정보가 고유된다.
• 주기적으로 GC가 메모리를 해제하는 영역으로 객체가 더 이상 쓰이지 않거나 명시적 null 선언시 GC 청소합니다.
• 힙의 참조 주소는 스택(Stack)이 갖고 있고 해당 객체를 통해서만 힙 영역에 있는 인스턴스를 핸들링 할 수 있습니다.

• 유의할 점은 힙 영역에 생성된 객체와 배열은 참조형 타입(Reference Type)으로 스택(Stack) 영역의 변수나 다른 객체의 필드에서 참조된다는 점 입니다.
• 즉, 힙의 참조 주소는 "스택"이 갖고 있고 해당 객체를 통해서만 힙 영역에 있는 인스턴스를 핸들링 할 수 있는 것입니다.

스택의 참조 타입 변수와 힙의 인스턴스

• 위와 같은 구조에서 참조하는 변수나 필드가 없다면 의미 없는 객체임을 의미합니다.
• 자바 가상 머신은 이런 객체를 쓰레기로 취급하고 자바 가상 머신의 쓰레기 수집기인 가비지 컬렉션를 실행시켜 쓰레기 객체를 자동으로 힙 영역에서 제거 합니다.
• 가비지 컬렉션의 대상인 힙 영역은 효율적인 가비지 컬렉션 수행을 위해 아래와 같이 5가지 영역으로 나눕니다.

힙 메모리 구조

• 위와 같이 4가지 영역으로 나뉜 힙 영역은 다시 물리적으로 Young Generation 과 Old Generation 영역으로 구분됩니다.
• Young Generation : 생명 주기가 짧은 객체를 GC대상으로 하는 영역입니다.
  • Eden : new를 통해 새로 생성된 객체가 위치하며 정기적인 쓰레기 수집 후 살아남은 객체들은 Survivor로 이동합니다.
  • Survivor 0/ Surivor 1 : 각 영역이 채워지게 되면 살아남은 객체는 비워진 Survivor로 순차적으로 이동합니다.
• Old Generation : 생명 주기가 긴 객체를 GC 대상으로 하는 영역. Young Generation에서 마지막까지 살아남은 객체가 이동합니다.

스택(Stack)

• int, long, boolean 등 기본 자료형을 생성할 때 저장하는 공간으로, 임시적으로 사용되는 변수나 정보들이 저장되는 영역입니다.
• 각 스레드마다 하나씩 존재하며 스레드가 시작될 때 할당됩니다.
• 메소드 호출 시 메모리에 FILO로 삽입되고 종료 시 메모리에서 LOFI로 제거 됩니다.
• 메소드 호출 시 마다 각각의 스택 프레임(그 메서드만을 위한 공간)이 생성되고 각 스택 프레임은 하나의 메소드에 대한 정보를 저장된다.
• 프로세스가 메모리에 로드 될 때 스택 사이즈가 고정되어 있어, 런타임 시에 스택 사이즈를 바꿀 수는 없다.
  • 만일 고정된 크기의 JVM 스택에서 프로그램 실행 중 메모리 크기가 충분하지 않다면 StackOverFlowError 가 발생하게 됩니다.
• 스택 프레임(stack frame)
  • 메소드가 호출될 때마다 프레임이 만들어지고 호출 범위가 종료되면 스택에서 제거됩니다.
  • 현재 실행중인 메소드 상태 정보를 저장하는 곳으로 메소드의 매개변수, 지역변수, 리턴값, 연산시 결과값 등의 데이터가 쌓여있다.
• 참고로 데이터의 타입에 따라 스택(stack)과 힙(heap)에 저장되는 방식이 다르다는 점은 유의해야합니다.
• 기본(원시)타입 변수는 스택 영역에 직접 값을 가지지만 참조타입 변수는 힙 영역이나 메소드 영역의 객체 주소를 가집니다.
• 지역변수와 매개변수 데이터 값이 저장되는 공간이며, 메소드가 호출될 때 메모리에 할당되고 종료되며 메모리가 해제됩니다.
• LIFO(Last In First Out)구조를 갖고 변수에 새로운 데이터가 할당되면 이전 데이터는 지워 집니다.

객체 생성시 메모리 영역

PC 레지스터(PC Register)

• PC 레지스터는 스레드가 시작될 때 생성되며, 현재 수행중인 JVM 명령어 주소를 저장하는 공간입니다.
• JVM 명령의 주소는 스레드가 어떤 부분을 무슨 명령으로 실행해야 할지에 대한 기록을 가지고 있습니다.
• 일반적으로 프로그램의 실행은 CPU에서 명령어(Instruction)을 수행하는 과정으로 이루어진다.
• 이때 CPU는 연산을 수행하는 동안 필요한 정보를 레지스터라고 하는 CPU 내의 기억장치를 이용하게 됩니다.

네이티브 메소드 스택(Native Method Stack)

• 네이티브 메소드 스택는 자바 코드가 컴파일되어 생성되는 바이트 코드가 아닌 실제 실행할 수 있는 기계어로 작성된 프로그램을 실행시키는 영역입니다. 또한 자바 이외의 어는(C,C++, 어셈블리 등)로 작성된 네이티브 코드를 실행하기 위한 공간이기도 합니다.
• 사용되는 메모리 영역으로는 일반적인 C 스택을 사용합니다.
• JIT 컴파일러에 의해 변환된 Native Code 역시 여기에서 실행이 된다고 보면 됩니다.

• 일반적으로 메소드를 실행하는 경우 JVM스택에 쌍이다가 해당 메소드 내부에 네이티브 방식을 사용하는 메소드가 있다면 해당 메소드는 네이티브 스택에 쌓인다. 그리고 네이티브 메소드가 수행이 끝나면 다시 자바 스택으로 돌아와 다시 작업을 수행합니다. 그래서 네이티브 코드로 되어 있는 함수의 호출을 자바 프로그램 내에서도 직접 수행 할 수 있고 그 결과를 받아올 수도 있는 것 입니다.
• JNI가 사용되면 네이티브 메서드 스택에 바이트 코드로 전환되어 저장되게 된다.

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각 메모리 영역이 할당되는 시정 언제인가?

• Method 영역 : JVM이 동작해서 클래스가 로딩될 때 생성
• Stack 영역 : 메소드가 호출될 때 할당
• Heap 영역 : 런타임시 할당