JVM 알아보기

Posted Oct 1, 2025

By Ahn NaYeong

18 min read

JVM 알아보기

Jvm이란?

JVM이란 자바 가상 머신(Java Virtual Machine)의 약자이다. 메모리 관리(GC)를 수행하며 스택(Stack) 기반으로 동작하고 Java Byte Code를 운영체제(OS)에 맞게 해석해주는 역할

동작 방식

![image

500](https://github.com/dnya0/dnya0.github.io/assets/84761609/69defe89-3f28-4191-a202-f77516391f3b)

자바로 개발된 프로그램을 실행하면 JVM은 OS로부터 메모리를 할당한다.
자바 컴파일러(javac)가 자바 소스코드(.java)를 자바 바이트코드(.class)로 컴파일한다.
Class Loader를 통해 JVM Runtime Data Area로 로딩
Runtime Data Area에 로딩 된 .class들은 Execution Engine을 통해 해석한다.
해석된 바이트 코드는 Runtime Data Area의 각 영역에 배치되어 수행하며 이 과정에서 Execution Engine에 의해 GC의 작동과 스레드 동기화가 이루어진다.

메모리 영역

자바의 메모리 공간은 크게 Method 영역, Stack 영역, Heap 영역으로 구분되고, 데이터 타입에 따라 할당된다.

메소드(Method) 영역

전역변수와 static변수, 메소드를 저장하며, JVM이 동작해서 클래스가 로딩될 때 생성된다. 간단히 말하면, 프로그램의 시작부터 종료까지 메모리에 남아있다는 뜻이다..

스택(Stack) 영역

스택 영역은 정적으로 할당된 영역이다. 기본자료형, 지역변수와 매개변수 데이터 값이 저장되는 공간이며, 메소드가 호출될 때 메모리에 할당되고 종료되면 메모리가 해제된다. LIFO(Last In First Out) 구조를 갖고 변수에 새로운 데이터가 할당되면 이전 데이터는 지워진다. 메소드가 호출될 때 할당된다.

힙(Heap) 영역

동적으로 할당된 영역이며, 런타임 시 할당된다. new 키워드로 생성되는 객체(인스턴스), 배열 등이 Heap 영역에 저장되며, 가비지 컬렉션에 의해 메모리가 관리되어 진다.

String 값과 오브젝트로 저장하기.

힙 메모리 내에는 String constant pool이 존재한다. String constant pool이란 자바에서 문자열 리터럴을 저장하는 공간이다.

Java 6 버전 이하의 경우 Permanent Generation (PermGen)이라는 특수한 영역에 String Pool이 위치하였다. PermGen은 메타데이터와 클래스 정보를 저장하는 영역이었으며, 기본적으로 크기가 고정되어 있어 런타임에 String Pool이 가득 차면 OutOfMemoryError: PermGen space가 발생하였다.

이 영역의 객체들은 GC 대상이 되지 않거나 GC가 매우 비효율적으로 수행되었다.그러나 Java 7 버전 이후 Heap 영역으로 이동하였으며 현재는 GC의 대상이다.

예를 들어,

String name = "apple";로 초기화할 경우 Heap 내의 String constant pool에 저장되며 String name = new String("apple");로 저장할 경우 Heap에 저장된다.

  
String name = "apple";
String name2 = "apple";

String name3 = new String("apple");

System.out.println(name == name2); // true
System.out.println(name == name3); // false

Stack 영역은 Stack 자료구조의 특성을 그대로 따른다.

메소드가 호출될 때마다 해당 메소드의 정보(매개변수, 지역 변수, 반환 주소 등)가 스택 프레임(Stack Frame) 으로 만들어져 Stack 영역에 푸시(Push) 된다. 메소드 실행이 끝나면 해당 스택 프레임이 Stack 영역에서 팝(Pop) 되어 사라진다.

예시

static String s = "sss"라고 했을 때 “sss”는 Heap의 string constant pool에 저장되고 String s는 메소드 영역에 저장
static Person p = new Person이런 식으로 하면 이 person 객체가 heap에 저장되고 그 참조값은 메소드 영역에서 참조

스레드 관점에서 stack과 heap

Stack 의 메모리는 Thread당 하나씩 할당된다. 만약 새로운 스레드가 생성되면 해당 스레드에 대한 Stack이 새롭게 생성되고, 각 스레드 끼리는 Stack 영역을 접근할 수가 없다.

자바(Java)에서 스레드 간의 데이터 공유는 힙(Heap) 영역을 통해 이루어진다.

stack - 스레드 독립 영역
- 저장 내용: 메서드 호출 시 사용되는 지역 변수(기본 타입), 매개 변수, 그리고 객체를 참조하는 참조 변수(주소값) 등이 저장되는 곳입니다.
- 공유 여부: 스레드별로 독립적이므로, 데이터를 공유할 수 없다.
Heap (힙) - 스레드 공유 영역
- 저장 내용: 프로그램에서 생성되는 모든 객체(인스턴스)와 배열이 저장된다.
- 공유 여부: JVM 내의 모든 스레드가 공유하는 영역이다.

스레드 간 데이터 공유 원리

스레드 A와 스레드 B가 데이터를 공유하는 방식은 다음과 같다.

객체 생성: 프로그램 실행 중 공유하고 싶은 데이터(ObjectA)가 힙 영역에 생성됩니다.
참조 저장: 스레드 A와 스레드 B는 각각 자신들의 스택 영역에 ObjectA를 가리키는 참조 변수(주소값)를 저장합니다.
공유 접근: 두 스레드가 각자의 스택에 저장된 참조 변수를 통해 힙 영역에 있는 동일한 객체(ObjectA)에 접근하여 데이터를 읽거나 수정할 수 있습니다.

따라서 객체 자체는 힙(공유 영역)에, 객체를 가리키는 참조(독립 영역)는 스택에 저장됨으로써 스레드 간 데이터 공유가 가능해지는 것입니다.

⚠️ 주의: 동기화(Synchronization) 필요

스레드가 힙 영역의 공유 데이터에 동시에 접근하여 수정할 경우, 데이터 불일치(Race Condition) 문제가 발생할 수 있다. 따라서 공유 데이터를 다룰 때는 synchronized 키워드나 Lock 등의 동기화 기법을 사용하여 데이터의 안정성을 보장해야 한다.

자바 메모리 모델 (Java Memory Model, JMM)

메인 메모리 vs. 워킹 메모리

JMM은 스레드가 공유하는 힙 메모리(메인 메모리)와 각 스레드가 사용하는 스택/캐시(워킹 메모리) 간의 상호작용 규칙을 정의한다.

이 개념은 스레드가 데이터를 읽고 쓰는 방식에 대한 모델입니다. JMM은 성능 최적화를 위해 스레드가 모든 데이터에 직접 메인 메모리(힙)를 통하지 않고 각자의 CPU 캐시를 사용할 수 있도록 허용합니다.

메인 메모리 (Main Memory)
- 실제 영역: JVM의 힙(Heap) 영역
- 저장 내용: 모든 스레드가 공유하는 인스턴스 변수(필드)와 정적 변수(static 필드)의 실제 값이 저장됩니다.
- 특징: 여러 스레드가 동시에 접근하며, 이 때문에 데이터 불일치 문제가 발생할 수 있습니다.
워킹 메모리 (Working Memory)
- 실제 영역
  - 각 스레드에 할당된 스택(Stack) 영역과 CPU의 캐시(Cache)를 포괄하는 개념
- 저장 내용
  - 스레드가 사용할 변수의 로컬 복사본이 저장
  - 스레드는 일반적으로 메인 메모리에서 데이터를 가져와 워킹 메모리에서 작업을 수행
- 문제
  - 한 스레드가 워킹 메모리에서 변수 값을 변경해도, 그 변경 사항이 즉시 메인 메모리에 반영되거나 다른 스레드의 워킹 메모리에 업데이트되지 않아 데이터 불일치(Inconsistency)가 발생

JMM의 역할은 이 워킹 메모리(캐시)의 변경 사항이 언제, 어떻게 메인 메모리와 동기화되어야 하는지에 대한 규칙을 제공하는 것.

가시성(Visibility)과 순서(Ordering)

여러 스레드가 동시에 변수에 접근할 때 데이터의 일관성과 예측 가능성을 보장하는 규칙이다.

가시성 (Visibility)
- 한 스레드가 변수의 값을 변경했을 때, 다른 스레드가 변경된 최신 값을 볼 수 있는지 여부
- 문제 발생
  - 스레드가 변수를 워킹 메모리(캐시)에 복사하여 작업하고 메인 메모리에 반영하지 않으면, 다른 스레드는 여전히 오래된 값(Stale Value)을 읽게 된다.
- 해결책
  - volatile, synchronized, Lock 등의 동기화 메커니즘을 사용하면, 해당 변수의 값이 메인 메모리와 동기화되어 모든 스레드가 최신 값을 볼 수 있게 된다.
순서 (Ordering)
- 정의: 코드가 작성된 순서와 JVM 또는 CPU가 명령어를 실제로 실행하는 순서가 다를 수 있다 (명령어 재배치, Instruction Reordering).
- 문제 발생
  - 성능 최적화를 위해 컴파일러나 CPU가 명령어의 실행 순서를 바꾸었는데, 이 재배치가 다른 스레드의 로직 흐름을 깨뜨릴 때 발생한다
  - 예) 초기화가 완료되기 전에 참조가 노출되는 경우.
- 해결책
  - 동기화 메커니즘을 사용하면 메모리 배리어(Memory Barrier)가 삽입되어, 특정 지점의 명령어 재배치를 금지함으로써 스레드 간의 순서 일관성을 보장한다.

volatile 키워드

변수의 값을 항상 메인 메모리에서 읽어오고 쓰도록 강제하여 가시성 문제를 해결하는 방법을 제공힌다.

StackOverflowError와 OutOfMemoryError

특징	StackOverflowError	OutOfMemoryError
발생 영역	Stack (스택) 메모리	Heap (힙) 메모리 또는 Metaspace
주요 원인	무한 재귀 호출 (깊은 재귀)	메모리 누수, 너무 많은 객체 생성
문제 성격	로직 오류 (무한 루프)	메모리 부족 (GC가 해결 불가)

메서드 호출이 너무 깊어지거나(재귀 호출), 스택에 너무 많은 지역 변수가 쌓여 할당된 스택 메모리 크기를 초과하게 되면, JVM은 더 이상 새로운 스택 프레임을 할당할 수 없어 StackOverflowError를 발생시키고 해당 스레드는 중단된다.

메모이제이션

대부분의 메모이제이션 구현은 힙 메모리를 사용하며, 이 영역에 가장 큰 영향을 미친다.

저장 공간: 힙 메모리 (Heap)
저장 방식: 메모이제이션 캐시(예: HashMap, ArrayList, 전역 배열)는 객체이므로 힙 메모리에 할당됩니다.

영향

메모리 사용량 증가
- 계산 결과를 저장하기 위해 데이터가 누적될수록 힙 사용량이 증가
- 시간복잡도(Time Complexity)를 공간복잡도(Space Complexity)로 교환하는 전형적인 형태
GC 부하
- 캐시 크기가 커지면 가비지 컬렉터(GC)가 관리해야 할 객체의 수가 늘어나 GC 부하가 증가할 수 있음
메모리 누수 위험
- 캐시를 정적(static) 필드로 선언하고 데이터를 제거하지 않으면, 힙 메모리 누수를 일으켜 OutOfMemoryError를 유발할 수 있음

최적화 : 참조 Locality

힙에 저장된 캐시 데이터에 자주 접근하면 CPU 캐시 히트율(Cache Hit Ratio)이 높아져 데이터 접근 속도가 빨라질 수 있다.

스택(Stack) 메모리 영역과 메모이제이션

메모이제이션은 스택 메모리 자체의 사용량이나 깊이를 직접적으로 줄여준다.

재귀 호출의 깊이 감소

스택 프레임 감소
- 재귀 함수에 메모이제이션을 적용하면, 이미 계산된 결과가 캐시에 있을 경우 메서드 호출(재귀)이 발생하지 않고 곧바로 반환된다.
스택 오버플로우 방지 효과
- 이로 인해 스택 프레임이 불필요하게 깊어지는 것을 방지할 수 있다.
- 즉, 메모이제이션은 간접적으로 스택 메모리를 보호하여 StackOverflowError 발생 가능성을 낮춘다.

스택 사용량 변화

스택 메모리 절약
- 메모이제이션된 함수를 호출할 때마다 새로운 스택 프레임을 쌓지 않기 때문에, 스택 메모리 사용량이 절약된다.

Study, Java

Study Java

This post is licensed under CC BY 4.0 by the author.