{JAVA} - 메모리

프로그램이 실행되기 위해서는 위와 같은 순서로 실행된다.

운영체제(OS)가 프로그램의 정보를 메모리에 로드하고, CPU는 프로그램 코드를 처리하기 위해서 메모리에 명령어와 데이터를 저장한다.

이렇게 프로그램이 운영체제(OS)로부터 할당받은 대표적인 메모리 공간은 코드(code)영역, 데이터(data)영역, 힙(heap)영역, 스택(stack)영역으로 구성된다.

 

코드영역

코드 영역은 실행할 프로그램의 코드가 저장되는 영역이다. 텍스트 영역이라고 부르기도 한다. CPU는 코드 영역에 저장된 명령을 하나씩 가져가서 처리하게 된다. 프로그램이 시작하고 종료될 때 까지 메모리에 계속 남아있는다.

힙(heap) 영역

힙 영역은 프로그래머가 직접 공간을 할당, 해제하는 메모리 공간이다. 힙 영역에서 malloc() 또는 new 연산자를 통해 메모리를 할당하고, free() 또는 delete 연산자를 통해 메모리를 해제한다. 힙 영역은 선입선출(FIFO, First-In First-Out)의 방식으로, 가장 먼저 들어온 데이터가 가장 먼저 인출 된다. 이는 힙 영역이 메모리의 낮은 주소에서 높은 주소의 방향으로 할당되기 떄문이다. 위의 그림으로 설명하면, 위(낮은 주소)부터 차곡차곡 아래(높은 주소) 방향으로 데이터가 쌓인다고 생각하면 된다.

 

스택영역

스택 영역은 프로그램이 자동으로 사용하는 임시 메모리 영역이다. 함수 호출 시 생성되는 지역 변수와 매개 변수가 저장되는 영역이고, 함수 호출이 완료되면 사라진다. 이때 스택 영역에 저장되는 함수의 호출 정보를 스택 프레임(stack frame) 이라고 한다. 스택 영역에서 푸시(push) 로 데이터를 저장하고, 팝(pop) 으로 데이터를 인출한다. 스택 영역은 후입 선출(LIFO, Last-In First-Out) 의 방식으로, 가장 나중에 들어온 데이터가 가장 먼저 인출 된다. 이는 스택 영역이 메모리의 높은 주소에서 낮은 주소의 방향으로 할당 되기 때문이다. 위의 그림으로 설명하면, 가장 아래(높은 주소)부터 차곡차곡 위(낮은 주소)의 방향으로 데이터가 쌓인다고 생각하면 된다.

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가비지컬렉션(Garbage Collection)

JAVA에서는 C언어와 달리 직접 메모리를 해제해주어야 할 필요가 없다. 그 이유는 JVM의 가비지 컬렉션(GC)가 불필요한 메모리를 정리해주기 때문이다. 대신 자바는 명시적으로 불필요한 데이터를 표현하기 위해 null선언을 한다.

사용자가 직접 메모리를 할당하는 공간인 Heap은 처음 설계될 때 2가지 전제로 설계되었다.

1. 대부분의 객체는 금방 접근 불가능한 상태(Unreachable)가 된다.

2. 오래된 객체에서 새로운 객체로의 참조는 아주 적게 존재한다.

이말은 객체는 대부분 일회성이며, 메모리에 오랫동안 남아있는 경우는 드물다는 것이다. 이러한 Heap은 Young영역과 Old영역으로 나뉘게 되었다.

Young 영역(Young Generation)

새롭게 생성된 객체가 할당(Allocation)되는 영역
대부분의 객체가 금방 Unreachable 상태가 되기 때문에, 많은 객체가 Young 영역에 생성되었다가 사라진다.
Young 영역에 대한 가비지 컬렉션(Garbage Collection)을 Minor GC라고 부른다.

Old 영역(Old Generation)

Young영역에서 Reachable 상태를 유지하여 살아남은 객체가 복사되는 영역
Young 영역보다 크게 할당되며, 영역의 크기가 큰 만큼 가비지는 적게 발생한다. 
Old 영역에 대한 가비지 컬렉션(Garbage Collection)을 Major GC 또는 Full GC라고 부른다.

**Old 영역이 Young 영역보다 크게 할당되는 이유는 Young 영역의 수명이 짧은 객체들은 큰 공간을 필요로 하지 않으며 큰 객체들은 Young 영역이 아니라 바로 Old 영역에 할당되기 때문이다. 

동작방식

1. Stop The World

Stop The World는 가비지 컬렉션을 실행하기 위해 JVM이 애플리케이션의 실행을 멈추는 작업이다. GC가 실행될 때는 GC를 실행하는 쓰레드를 제외한 모든 쓰레드들의 작업이 중단되고, GC가 완료되면 작업이 재개된다. 당연히 모든 쓰레드들의 작업이 중단되면 애플리케이션이 멈추기 때문에, GC의 성능 개선을 위해 튜닝을 한다고 하면 보통 stop-the-world의 시간을 줄이는 작업을 하는 것이다. 또한 JVM에서도 이러한 문제를 해결하기 위해 다양한 실행 옵션을 제공하고 있다.

2. Mark and Sweep

• Mark: 사용되는 메모리와 사용되지 않는 메모리를 식별하는 작업
• Sweep: Mark 단계에서 사용되지 않음으로 식별된 메모리를 해제하는 작업

Stop The World를 통해 모든 작업을 중단시키면, GC는 스택의 모든 변수 또는 Reachable 객체를 스캔하면서 각각이 어떤 객체를 참고하고 있는지를 탐색하게 된다. 그리고 사용되고 있는 메모리를 식별하는데, 이러한 과정을 Mark라고 한다. 이후에 Mark가 되지 않은 객체들을 메모리에서 제거하는데, 이러한 과정을 Sweep라고 한다.

https://mangkyu.tistory.com/118

[Java] Garbage Collection(가비지 컬렉션)의 개념 및 동작 원리 (1/2)

https://ttl-blog.tistory.com/m/368

[Java] 자바 JVM 메모리 관리 파헤치기 (스택, 힙, Reference Type, 가비지 컬렉터)