7. 자바 메모리 구조와 static - 자바 메모리 구조 / 스택과 큐 자료 구조 / 스택 영역 / 스택 영역과 힙 영역 / static 변수1~3 / static 메서드1~3 / 문제와 풀이

7-1. 자바 메모리 구조

자바의 메모리 구조는 크게 메서드 영역, 스택 영역, 힙 영역 3개로 나뉨

메서드 영역: 클래스 정보를 보관. 이 클래스 정보가 붕어빵 틀이다.
스택 영역: 실제 프로그램이 실행되는 영역. 메서드를 실행할 때 마다 하나씩 쌓인다.
힙 영역: 객체(인스턴스)가 생성되는 영역. new 명령어를 사용하면 이 영역을 사용.
붕어빵 틀로부터 생성된 붕어빵이 존재하는 공간. 참고로 배열도 이 영역에 생성된다.

메서드 영역(Method Area): 메서드 영역은 프로그램을 실행하는데 필요한 공통 데이터를 관리.
이 영역은 프로그램의 모든 영역에서 공유.
- 클래스 정보: 클래스의 실행 코드(바이트 코드), 필드, 메서드와 생성자 코드 등 모든 실행 코드가 존재.
- static 영역: static 변수들을 보관. 뒤에서 자세히 설명.
- 런타임 상수 풀: 프로그램을 실행하는데 필요한 공통 리터럴 상수를 보관.
  예시로, 프로그램에 "hello" 라는 리터럴 문자가 있으면 이런 문자를 공통으로 묶어서 관리.
  이 외에도 프로그램을 효율적으로 관리하기 위한 상수들을 관리.
  (참고로 문자열을 다루는 문자열 풀은 자바 7부터 힙 영역으로 이동.)
스택 영역(Stack Area): 자바 실행 시, 하나의 실행 스택이 생성.
각 스택 프레임은 지역 변수, 중간 연산 결과, 메서드 호출 정보 등을 포함한다.
- 스택 프레임: 스택 영역에 쌓이는 네모 박스가 하나의 스택 프레임.
  메서드를 호출할 때 마다 하나의 스택 프레임이 쌓이고, 메서드가 종료되면 해당 스택 프레임이 제거됨.
- 각 쓰레드 별로 하나의 실행 스택이 생성. 따라서 쓰레드 수 만큼 스택 영역이 생성.
  쓰레드는 멀티 쓰레드를 학습해야 이해 가능
힙 영역(Heap Area): 객체(인스턴스)와 배열이 생성되는 영역.
가비지 컬렉션(GC)이 이루어지는 주요 영역이며, 더 이상 참조되지 않는 객체는 GC에 의해 제거됨

메서드 코드는 메서드 영역에

자바에서 특정 클래스로 100개의 인스턴스를 생성하면,
힙 메모리에 100개의 인스턴스가 생기고 각각의 인스턴스는 내부에 변수와 메서드를 가진다.
같은 클래스로 부터 생성된 객체라도, 인스턴스 내부의 변수 값은 서로 다를 수 있지만,
메서드는 공통된 코드를 공유한다.
따라서 객체가 생성될 때, 인스턴스 변수에는 메모리가 할당되지만, 메서드에 대한 새로운 메모리 할당은 없다.
메서드는 메서드 영역에서 공통으로 관리되고 실행된다.
정리하면 인스턴스의 메서드를 호출하면 실제로는 메서드 영역에 있는 코드를 불러서 수행한다.

7-2. 스택과 큐 자료 구조

스택(Stack)이라는 자료 구조를 알아보자

자료 구조: 데이터를 어떤 식으로 보관하고 관리하는지에 대한 구조

스택 구조 => 후입 선출(LIFO, Last In First Out)

프로그램 실행과 메서드 호출에는 스택 구조가 적합

큐(Queue) => 선입 선출(FIFO, First In First Out)

선착순 프로그램에 적합

7-3. 스택 영역

JavaMemoryMain1.java

package memory;

public class JavaMemoryMain1 {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("main start");
        method1(10);
        System.out.println("main end");
    }

    static void method1(int m1) {
        System.out.println("method1 start");
        int cal = m1 * 2;
        method2(cal);
        System.out.println("method1 end");
    }

    static void method2(int m2) {
        System.out.println("method2 start");
        System.out.println("method2 end");
    }
}

자바는 스택 영역을 사용해서 메서드 호출과 지역 변수(매개변수 포함)를 관리한다.
메서드를 계속 호출하면 스택 프레임이 계속 쌓인다.
지역 변수(매개변수 포함)는 스택 영역에서 관리한다.
스택 프레임이 종료되면 지역 변수도 함께 제거된다.
스택 프레임이 모두 제거되면 프로그램도 종료된다

7-4. 스택 영역과 힙 영역

Data.java

package memory;

public class Data {
    private int value;

    public Data(int value) {
        this.value = value;
    }

    public int getValue() {
        return value;
    }
}

JavaMemoryMain2.java

package memory;

public class JavaMemoryMain2 {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("main start");
        method1();
        System.out.println("main end");
    }

    static void method1() {
        System.out.println("method1 start");
        Data data1 = new Data(10);
        method2(data1);
        System.out.println("method1 end");
    }

    static void method2(Data data2) {
        System.out.println("method2 start");
        System.out.println("data.value=" + data2.getValue());
        System.out.println("method2 end");
    }
}

main() ▶ method1() ▶ method2() 순서로 호출하는 단순한 코드
method1() 에서 method2() 를 호출할 때 매개변수에 Data 인스턴스의 참조값을 전달

method1() 이 종료된 직후, method1() 의 스택 프레임이 제거되고 지역 변수 data1 도 함께 제거
이제 x001 참조값을 가진 Data 인스턴스를 참조하는 곳이 더는 없는 프로그램에서 더는 사용하지 않는 객체가 됨.
GC(가비지 컬렉션)은 이렇게 참조가 모두 사라진 인스턴스를 찾아서 메모리에서 제거

※ 지역 변수는 스택 영역에, 객체(인스턴스)는 힙 영역에 관리되는 것을 확인

7-5. static 변수1

static 키워드는 주로 멤버 변수와 메서드에 사용

멤버 변수에 static 키워드가 왜 필요?

Data1.java (인스턴스 내부에 카운트 저장)

package static1;

public class Data1 {
    public String name;
    public int count;

    public Data1(String name) {
        this.name = name;
        count++;
    }
}

객체가 생성될 때마다 생성자를 통해 인스턴스의 멤버 변수 count 값 증가
예제를 단순하게 만들기 위해 필드에 public 사용

DataCountMain1.java

package static1;

public class DataCountMain1 {
    public static void main(String[] args) {
        Data1 data1 = new Data1("A");
        System.out.println("A count=" + data1.count);

        Data1 data2 = new Data1("B");
        System.out.println("B count=" + data2.count);

        Data1 data3 = new Data1("C");
        System.out.println("C count=" + data3.count);
    }
}

객체를 생성할 때 마다 Data1 인스턴스는 새로 만들어지고 인스턴스에 포함된 count 변수도 새로 만들어짐
인스턴스에 사용되는 멤버 변수 count 값은 인스턴스끼리 서로 공유되지 않음
문제를 해결하려면 변수를 서로 공유해야 함

Counter.java (외부 인스턴스에 카운트 저장)

package static1;

public class Counter {
    public int count;
}

Data2.java

package static1;

public class Data2 {
    public String name;

    public Data2(String name, Counter counter) {
        this.name = name;
        counter.count++;
    }
}

DataCountMain2.java

package static1;

public class DataCountMain2 {
    public static void main(String[] args) {
        Counter counter = new Counter();

        Data2 data1 = new Data2("A", counter);
        System.out.println("A count=" + counter.count);

        Data2 data2 = new Data2("A", counter);
        System.out.println("B count=" + counter.count);

        Data2 data3 = new Data2("A", counter);
        System.out.println("C count=" + counter.count);
    }
}

Data2 클래스와 관련된 일인데, Counter라는 별도의 클래스 추가 사용
생성자의 매개변수도 추가되고, 생성자가 복잡해짐.

7-6. static 변수2

특정 클래스에서 공용으로 사용할 수 있는 변수 만들기

Data3.java (static 변수 사용)

package static1;

public class Data3 {
    public String name;
    public static int count; // static

    public Data3(String name) {
        this.name = name;
        count++;
    }
}

멤버 변수 앞에 static을 붙이면, static 변수 = 정적 변수 = 클래스 변수 라 함

DataCountMain3.java

package static1;

public class DataCountMain3 {
    public static void main(String[] args) {
        Data3 data1 = new Data3("A");
        System.out.println("A count=" + Data3.count);

        Data3 data2 = new Data3("B");
        System.out.println("B count=" + Data3.count);
        
        Data3 data3 = new Data3("C");
        System.out.println("C count=" + Data3.count);
    }
}

count 정적 변수에 접근하는 방법.
Data3.count와 같이 클래스명에 .dot을 사용해 클래스에 직접 접근하는 것 같음.

static이 붙은 멤버 변수는 메서드 영역에서 관리

※ static 변수는 예로, 클래스인 붕어빵 틀이 특별히 관리하는 변수

(붕어빵 틀 = 1, 클래스 변수 = 1), (붕어빵 = n, 인스턴스 변수 = n)

7-7. static 변수3

멤버 변수(필드)의 종류 (용어 정리)

인스턴스 변수
- static이 붙지 않은 멤버 변수
- 인스턴스를 생성해야 사용 가능, 인스턴스에 소속
- 인스턴스를 만들 때마다 새로 생성
클래스 변수 (= 정적 변수, static 변수)
- static이 붙은 멤버 변수
- 인스턴스와 무관하게 클래스를 통해 바로 접근해서 사용 가능, 클래스 자체에 소속
- 자바 프로그램을 시작할 때 딱 1개가 생성, 여러 곳에서 공유할 목적

변수와 생명 주기

지역 변수(매개 변수 포함) : 생존 주기 짦음
- 스택 영역에 있는 스택 프레임 안에 보관
- 메서드가 종료되면 스택 프레임이 제거되고 이때 포함된 지역 변수도 제거
인스턴스 변수 : 지역 변수보다 생존 주기 김.
- 힙 영역을 사용, GC(가비지 컬렌션)가 발생하기 전까지 생존
- 인스턴스 변수는 동적으로 생성되고 제거된다.
클래스 변수 : 가장 긴 생존 주기
- 메서드 영역의 static 영역에 보관, 메서드 영역은 프로그램 전체에서 사용하는 공용 공간
- 해당 클래스가 JVM에 로딩되는 순간 클래스 변수 생성, JVM 종료될 때까지 생존
- 정적인 이유는 프로그램 실행 시점에 만들어지고, 프로그램 종료 시점에 제거되기 때문

DataCountMain3.java (추가 - 정적 변수 접근법)

// 추가
// 인스턴스를 통한 접근
Data3 data4 = new Data3("D");
System.out.println(data4.count);

// 클래스를 통한 접근
System.out.println(Data3.count);

둘다 정적 변수에 접근
정적 변수의 경우 인스턴스를 통한 접근은 추천하지 않는다.
코드를 읽을 때 마치 인스턴스 변수에 접근하는 것 처럼 오해할 수 있기 때문
정적 변수는 클래스에서 공용으로 관리하기에 클래스를 통해서 접근

7-8. static 메서드1

DecoUtil1.java

package static2;

public class DecoUtil1 {
    public String deco(String str) { // 문자열을 꾸미는 기능 제공
        String result = "*" + str + "*";
        return result;
    }
}

DecoMain1.java

package static2;

public class DecoMain1 {
    public static void main(String[] args) {
        String s = "hello java";
        DecoUtil1 utils = new DecoUtil1();
        String deco = utils.deco(s);

        System.out.println("before: " + s);
        System.out.println("after: " + deco);
    }
}

deco() 메서드를 호출하기 위해서는 DecoUtil1 의 인스턴스를 먼저 생성해야 한다.
deco() 라는 기능은 멤버 변수도 없고, 단순히 기능만 제공할 뿐
인스턴스가 필요한 이유는 멤버 변수(인스턴스 변수)등을 사용하는 목적이 큰데,
이 메서드는 사용하는 인스턴스 변수도 없고 단순히 기능만 제공

DecoUtil2.java (static 메서드)

package static2;

public class DecoUtil2 {
    public static String deco(String str) { // static 추가
        String result = "*" + str + "*";
        return result;
    }
}

DecoMain2.java

package static2;

public class DecoMain2 {
    public static void main(String[] args) {
        String s = "hello java";
        String deco = DecoUtil2.deco(s);

        System.out.println("before: " + s);
        System.out.println("after: " + deco);
    }
}

static 이 붙은 정적 메서드는 정적 변수처럼 인스턴스 생성 없이 클래스 명을 통해서 바로 호출
정적 메서드 덕분에 불필요한 객체 생성 없이 편리하게 메서드를 사용

클래스 메서드(= 정적 메서드): 인스턴스 생성 없이 클래스를 통해 호출 가능
인스턴스 메서드: 인스턴스를 생성해야 호출 가능

7-9. static 메서드2

정적 메서드 사용법

static 메서드는 static만 사용 가능
- 클래스 내부의 기능을 사용할 때, 정적 메서드는 static 이 붙은 정적 메서드나 정적 변수만 사용 가능
- 클래스 내부의 기능을 사용할 때, 정적 메서드는 인스턴스 변수나, 인스턴스 메서드를 사용 불가
반대로 모든 곳에서 static 을 호출 가능: 접근 제어자만 허락한다면 클래스를 통해 모든 곳에서 static 을 호출

DecoData.java

package static2;

public class DecoData {

    private int instanceValue;
    private static int staticValue;

    public static void staticCall() {
        //instanceValue++; // 인스턴스 변수 접근, compile error
        //instanceMethod(); // 인스턴스 메서드 접근, compile error
        staticValue++; // 정적 변수 접근
        staticMethod(); // 정적 메서드 접근
    }
    
    public void instanceCall() {
        instanceValue++; // 인스턴스 변수 접근
        instanceMethod(); // 인스턴스 메서드 접근
        staticValue++; // 정적 변수 접근
        staticMethod(); // 정적 메서드 접근
    }
    
    private void instanceMethod() {
        System.out.println("instanceValue=" + instanceValue);
    }
    private static void staticMethod() {
        System.out.println("staticValue=" + staticValue);
    }
}

static 메서드는 static 변수, static 메서드 접근 가능 => 인스턴스 (변수, 메서드) 접근 불가

DecoDataMain.java

package static2;

public class DecoDataMain {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("1.정적 호출");
        DecoData.staticCall();

        System.out.println("2.인스턴스 호출1");
        DecoData data1 = new DecoData();
        data1.instanceCall();

        System.out.println("3.인스턴스 호출2");
        DecoData data2 = new DecoData();
        data2.instanceCall();
    }
}

정적 메서드가 인스턴스의 기능을 사용할 수 없는 이유

정적 메서드는 클래스 이름을 통해 바로 호출 가능 => 참조값 없이 호출
특정 인스턴스의 내부 기능을 사용하려면 참조값을 알아야 함
정적 메서드 내부에서 참조값이 없어 인스턴스 변수나 인스턴스 메서드를 사용할 수 없다.

(외부에서) 객체의 참조값을 직접 매개변수로 전달

=> 정적 메서드도 인스턴스의 변수나 메서드를 호출 가능

public static void staticCall(DecoData data) {
    data.instanceValue++;
    data.instanceMethod();
}

7-10. static 메서드3

멤버 메서드의 종류 (용어 정리)

인스턴스 메서드 : static이 붙지 않은 멤버 메서드
클래스 메서드 (= 정적 메서드, static 메서드) : static이 붙은 멤버 메서드

정적 메서드 활용

객체 생성이 필요없이 메서드의 호출만으로 필요한 기능을 수행할 때 사용
간단한 메서드 하나로 끝나는 유틸리티성 메서드에 자주 사용
수학의 여러가지 기능을 담은 클래스를 만들 때, 인스턴스 변수 없이 입력한 값을 계산하고 반환하는 것이 대부분
이럴 때 정적 메서드를 사용해서 유틸리티성 메서드를 만들면 좋음

DecoDataMain.java (추가 - 정적 메서드 접근법)

// 추가
// 인스턴스를 통한 접근
DecoData data3 = new DecoData();
data3.staticCall();

// 클래스를 통한 접근
DecoData.staticCall();

둘은 차이 없이 결과적으로 정적 메서드에 접근.
But, 인스턴스를 통한 접근은 추천하지 않음(인스턴스 메서드에 접근하는 것 처럼 보일 수 있기 때문)

static import

alt+enter => Add on-demand static import for 'static2.DecoData'

//import static static2.DecoData.staticCall;
import static static2.DecoData.*; // *: 전체 static

// 클래스명 생략 가능
DecoData.staticCall(); => staticCall()
DecoData.staticCall(); => staticCall()
DecoData.staticCall(); => staticCall()

main() 메서드는 정적 메서드

인스턴스 생성 없이 실행하는 가장 대표적인 메서드가 바로 main() 메서드
main() 메서드는 프로그램을 시작하는 시작점이 되는데, main() 메서드가 static 이기 때문
정적 메서드인 main() 이 호출하는 메서드에는 정적 메서드를 사용
정확히 말하자면 정적 메서드는 같은 클래스 내부에서 정적 메서드만 호출 가능

// 예시
package oop1;
public class ValueDataMain {
    public static void main(String[] args) {
        ValueData valueData = new ValueData();
        add(valueData);
        add(valueData);
        add(valueData);
        System.out.println("최종 숫자=" + valueData.value);
    }
    static void add(ValueData valueData) {
        valueData.value++;
        System.out.println("숫자 증가 value=" + valueData.value);
    }
}

7-11. 문제와 풀이

Car.java

package static2.ex;

public class Car {

    private static int cars;
    private String name;

    void Car(String name) {
        System.out.println("차량 구입, 이름: "+name);
        this.name = name;
        cars++;
    }

    static void showTotalCars() {
        System.out.println("구매한 차량 수: " + cars);
    }
}

MathArrayUtils.java

package static2.ex;

public class MathArrayUtils {

    private MathArrayUtils() {
        //private 인스턴스 생성을 막는다.
    }

    public static int sum(int[] array) {
        int sum = 0;
        for (int i : array) {
            sum+=i;
        }
        return sum;
    }

    public static double average(int[] array) {
        return sum(array)/(double)array.length;
    }

    public static int min(int[] array) {
        int minValue = array[0];
        for (int i : array) {
            if (i < minValue) {
                minValue = i;
            }
        }
        return minValue;
    }

    public static int max(int[] array) {
        int maxValue = array[0];
        for (int i : array) {
            if (i > maxValue) {
                maxValue = i;
            }
        }
        return maxValue;
    }
}

인스턴스 생성 막기

private MathArrayUtils() {}

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고옹부

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7-1. 자바 메모리 구조

7-2. 스택과 큐 자료 구조

7-3. 스택 영역

JavaMemoryMain1.java

7-4. 스택 영역과 힙 영역

Data.java

JavaMemoryMain2.java

7-5. static 변수1

Data1.java (인스턴스 내부에 카운트 저장)

DataCountMain1.java

Counter.java (외부 인스턴스에 카운트 저장)

Data2.java

DataCountMain2.java

7-6. static 변수2

Data3.java (static 변수 사용)

DataCountMain3.java

7-7. static 변수3

DataCountMain3.java (추가 - 정적 변수 접근법)

7-8. static 메서드1

DecoUtil1.java

DecoMain1.java

DecoUtil2.java (static 메서드)

DecoMain2.java

7-9. static 메서드2

DecoData.java

DecoDataMain.java

7-10. static 메서드3

DecoDataMain.java (추가 - 정적 메서드 접근법)

7-11. 문제와 풀이

Car.java

MathArrayUtils.java

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7-1. 자바 메모리 구조

7-2. 스택과 큐 자료 구조

7-3. 스택 영역

JavaMemoryMain1.java

7-4. 스택 영역과 힙 영역

Data.java

JavaMemoryMain2.java

7-5. static 변수1

Data1.java (인스턴스 내부에 카운트 저장)

DataCountMain1.java

Counter.java (외부 인스턴스에 카운트 저장)

Data2.java

DataCountMain2.java

7-6. static 변수2

Data3.java (static 변수 사용)

DataCountMain3.java

7-7. static 변수3

DataCountMain3.java (추가 - 정적 변수 접근법)

7-8. static 메서드1

DecoUtil1.java

DecoMain1.java

DecoUtil2.java (static 메서드)

DecoMain2.java

7-9. static 메서드2

DecoData.java

DecoDataMain.java

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