Java 실행과 JVM Part 2: 메모리와 데이터 흐름

Java 프로그램이 어떻게 실행되는지, 변수와 객체가 메모리에 어떻게 연결되는지, 그리고 문자열과 멀티스레드를 어떻게 다루는지 한 번에 정리한다.

1. Java 개발 환경

필요한 도구 설치

brew install jq curl maven gradle node git kubectl

Java 21 설치와 환경 변수 설정

brew install openjdk@21
java --version
export JAVA_HOME=/opt/homebrew/opt/openjdk@21

매번 설정하지 않으려면 ~/.zshrc에 추가한다.

echo 'export JAVA_HOME=/opt/homebrew/opt/openjdk@21' >> ~/.zshrc
source ~/.zshrc

JAVA_HOME은 Java가 설치된 위치를 알려 주는 환경 변수다. 실제 경로는 설치 환경에 따라 다를 수 있으므로 brew --prefix openjdk@21로 확인할 수 있다.

2. Java 코드가 실행되는 과정

Java는 소스 코드를 바로 실행하지 않는다.

App.java
   │  javac 컴파일
   ▼
App.class  ← JVM이 이해하는 바이트코드
   │  java 실행
   ▼
JVM이 main() 메서드를 찾아 실행

mkdir -p bin
javac -d bin src/App.java
java -cp bin App

javac: .java를 .class로 컴파일한다.
-d bin: 컴파일 결과를 bin 폴더에 저장한다.
java: .class 파일을 JVM에서 실행한다.
-cp bin: 클래스를 찾을 경로를 지정한다.
main(): Java 애플리케이션의 시작 메서드다.

즉, JVM이 javac를 실행하는 것이 아니라 javac가 만든 바이트코드를 JVM이 실행한다.

3. Java 프로그램의 기본 구조

Java 코드는 보통 클래스 안에 작성한다.

public class HelloSkala {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello, Skala!");
    }
}

class: 데이터와 기능을 묶는 기본 단위다.
main: 프로그램이 시작되는 메서드다.
System.out.println: 콘솔에 값을 출력한다.
static: 객체를 만들지 않아도 클래스에 소속된 형태로 사용할 수 있다는 뜻이다.

4. 기본형과 참조형

기본형

기본형은 숫자, 문자, 참·거짓처럼 값 자체를 저장하는 타입이다.

타입	의미	크기
`byte`	작은 정수	1 byte
`short`	정수	2 bytes
`int`	일반적인 정수	4 bytes
`long`	큰 정수	8 bytes
`float`	실수	4 bytes
`double`	정밀한 실수	8 bytes
`char`	문자 하나	2 bytes
`boolean`	`true` 또는 `false`	JVM 구현에 따라 다름

참조형

참조형 변수는 객체 본체를 직접 담는 것이 아니라, 객체를 가리키는 참조값을 저장한다.

int age = 20;              // age에 값 20 저장
String name = "Skala";     // name에는 String 객체를 가리키는 참조값 저장
int[] scores = {90, 80};   // scores에는 배열 객체를 가리키는 참조값 저장

쉽게 말하면 다음과 같다.

name ── 참조값 ──▶ "Skala" String 객체
age  ── 값 20

주의: 기본값과 지역 변수

클래스의 필드에는 선언하지 않아도 기본값이 들어간다. int는 0, boolean은 false, 참조형은 null이다.
메서드 안의 지역 변수는 자동으로 기본값이 들어가지 않는다. 사용하기 전에 반드시 값을 대입해야 한다.

5. JVM 메모리 구조

메모리를 설명할 때 자주 등장하는 영역은 Stack, Heap, Metaspace다.

Stack

메서드가 호출될 때마다 해당 메서드의 Stack Frame이 만들어진다. 메서드가 끝나면 Frame도 사라진다.

Stack Frame에는 다음과 같은 정보가 들어간다.

Local Variables: 지역 변수와 매개변수
Operand Stack: 바이트코드 연산에 잠시 사용하는 값
반환 주소 등 메서드 실행에 필요한 정보

Heap

new로 만든 객체와 배열의 본체가 저장되는 영역이다. 객체는 메서드가 끝난 뒤에도 다른 곳에서 참조하고 있다면 계속 살아 있을 수 있다. 더 이상 참조되지 않는 객체는 Garbage Collector가 정리한다.

Metaspace

클래스의 이름, 메서드 정보, 필드 정보, 바이트코드 등 클래스 구조에 대한 메타데이터가 저장되는 영역이다.

java.lang.Class 객체도 Heap에 존재하며, Metaspace의 클래스 메타데이터와 연결되어 있다고 이해하면 된다.

6. 코드로 보는 데이터 흐름

다음 코드를 기준으로 각 값의 위치를 살펴보자.

class Person {
    static int count;
    int age = 20;
}

void foo() {
    int x = 10;
    Person person = new Person();
    int result = person.age + x;
}

실행 순서

foo()가 호출되면 foo() 전용 Stack Frame이 만들어진다.
int x = 10의 x는 Local Variables 영역에 값 10으로 저장된다.
new Person()이 Heap에 Person 객체를 만든다.
person은 Stack에 저장되고, Heap 객체를 가리키는 참조값을 가진다.
person.age의 20과 x의 10이 Operand Stack으로 전달되어 계산된다.
계산 결과 30이 지역 변수 result에 저장된다.
foo()가 끝나면 x, person, result가 들어 있던 Stack Frame은 사라진다.

flowchart LR
    Call["foo() 호출"] --> Frame["foo() Stack Frame"]
    Frame --> X["Local Variables\nx = 10"]
    Frame --> P["Local Variables\nperson = 참조값"]
    Frame --> R["Local Variables\nresult = 30"]
    P -->|"참조"| Object["Heap\nPerson 객체"]
    Object --> Age["age = 20"]
    Age --> Operand["Operand Stack\n20 + 10"]
    X --> Operand
    Operand --> R

핵심 정리

person ─────────────▶ Heap의 Person 객체
  Stack                  age = 20

x = 10 ──┐
age = 20 ─┴─▶ Operand Stack에서 20 + 10 계산
                    │
                    ▼
              result = 30

person: Stack의 지역 변수 슬롯에 참조값이 저장된다.
new Person(): Heap에 객체 본체가 만들어진다.
age: Person 객체의 인스턴스 필드이므로 Heap 객체 안에 저장된다.
x, result: 메서드의 지역 변수이므로 해당 Stack Frame의 Local Variables에 저장된다.
연산 중간값: Operand Stack을 사용한다.

`static` 필드는 어디에 있을까?

class Person {
    static int count;
    int age;
}

age는 각 객체마다 따로 존재하지만, count는 Person 클래스 전체가 하나만 공유한다.

flowchart TD
    Loader["ClassLoader"] --> Meta["Metaspace\nPerson 클래스 메타데이터"]
    Loader --> ClassObject["Heap\njava.lang.Class 객체"]
    ClassObject --> Static["Person.count\n클래스 공용 데이터"]
    ClassObject -. "클래스 구조와 연결" .-> Meta
    Instance1["Heap\nPerson 객체 1: age"]
    Instance2["Heap\nPerson 객체 2: age"]

인스턴스 필드 age는 객체마다 Heap에 하나씩 생긴다.
static 필드 count는 객체가 아니라 클래스에 소속되며 모든 인스턴스가 공유한다.
정확한 물리적 위치와 구현 방식은 JVM에 따라 다를 수 있다. 따라서 static 필드를 무조건 “Heap의 Class 객체 안에 있다”고 단정하기보다, “클래스 단위로 관리되고 클래스 메타데이터와 연결된다”고 이해하는 편이 안전하다.

7. 변수 저장 위치를 판단하는 방법

“기본형은 Stack, 참조형은 Heap”이라고 외우면 틀릴 수 있다. 변수의 종류와 실행 위치를 함께 봐야 한다.

코드	무엇인가?	쉽게 이해하면
`int x = 10` in method	지역 기본형 변수	Stack Frame에 값 저장
`Person person` in method	지역 참조형 변수	Stack Frame에 참조값 저장
`new Person()`	객체 본체	Heap에 저장
`int age` in `Person`	인스턴스 필드	Heap 객체 안에 저장
`static int count`	클래스 필드	클래스 단위로 공유

예를 들어 다음 코드에서 score는 지역 변수가 아니라 인스턴스 필드다.

class Student {
    int score = 100;
    String name = "Min";
}

Student student = new Student()로 객체를 만들면 score와 name은 Student Heap 객체의 일부가 된다. 반대로 void study() { int minutes = 30; }의 minutes는 메서드의 지역 변수이므로 Stack Frame에서 관리된다.

8. 불변 객체와 Wrapper 클래스

불변 객체

불변 객체는 생성된 뒤 내부 값을 바꿀 수 없는 객체다. 대표적으로 String, Integer, Long, Double, Character, Boolean이 있다.

String text = "Java";
text = text + "!";

위 코드는 기존 String 객체에 !를 붙이는 것이 아니다. "Java!"라는 새로운 String 객체를 만들고 text가 새 객체를 가리키게 된다.

Wrapper 클래스와 오토박싱

Wrapper 클래스는 기본형을 객체처럼 사용할 수 있게 감싼 클래스다.

Integer number = 10; // int 10이 Integer 객체로 자동 변환
number = number + 1;  // 값을 바꾸는 대신 새 Integer 객체를 가리킴

컬렉션은 객체만 저장할 수 있으므로 다음처럼 Wrapper 클래스를 사용한다.

List<Integer> scores = new ArrayList<>();
scores.add(100);

9. StringBuilder와 StringBuffer

String은 불변이므로 문자열을 반복해서 더하면 중간 객체가 많이 만들어질 수 있다. 이때 문자열을 수정할 수 있는 버퍼를 사용한다.

구분	`StringBuilder`	`StringBuffer`
문자열 수정	가능	가능
동기화	하지 않음	메서드에 동기화 적용
일반적인 속도	빠름	상대적으로 느림
사용 상황	대부분의 단일 스레드 코드	여러 스레드가 같은 버퍼를 공유하는 경우

StringBuilder builder = new StringBuilder();
builder.append("Hello").append(" ").append("Java");
String result = builder.toString();

실무에서는 공유하지 않는 문자열 조립에는 보통 StringBuilder를 사용한다. 여러 스레드가 하나의 버퍼를 직접 공유해야 하고 동기화가 필요하다면 StringBuffer를 고려한다.

10. `synchronized`와 공유 자원

여러 스레드가 같은 값을 동시에 수정하면 실행 순서에 따라 결과가 달라질 수 있다. 이런 문제가 발생하는 코드를 임계 영역이라고 한다.

class BankAccount {
    private int balance = 1000;

    public synchronized void withdraw(int amount) {
        if (balance >= amount) {
            balance -= amount;
            System.out.println("출금 성공: " + amount);
        } else {
            System.out.println("잔액 부족");
        }
    }
}

withdraw()에 synchronized를 붙이면 같은 계좌 객체를 대상으로 한 출금 메서드 실행에 한 번에 한 스레드만 들어간다. 따라서 잔액 확인과 차감이 중간에 끊기지 않도록 보호할 수 있다.

다만 synchronized는 모든 문제를 자동으로 해결하는 기능은 아니다. 어떤 객체를 잠그는지, 여러 메서드가 같은 공유 자원을 다루는지까지 함께 확인해야 한다.

11. 마지막 요약

소스 코드(.java)
      │ javac
      ▼
바이트코드(.class)
      │ JVM 실행
      ▼
┌────────────────────────────────────┐
│ Stack      : 메서드 실행, 지역 변수   │
│ Heap       : 객체와 배열의 본체       │
│ Metaspace  : 클래스 구조 정보         │
└────────────────────────────────────┘

기본형과 참조형은 “무조건 Stack과 Heap”으로 나누지 말고, 지역 변수인지 필드인지 먼저 확인한다.
지역 변수는 Stack Frame에서 관리되는 경우가 많다.
객체와 배열의 본체는 Heap에 저장된다.
참조형 지역 변수에는 객체 자체가 아니라 객체를 가리키는 참조값이 저장된다.
인스턴스 필드는 객체마다 존재하고, static 필드는 클래스 전체가 공유한다.
메서드 내부 계산에는 Operand Stack이 사용된다.
더 이상 참조되지 않는 Heap 객체는 Garbage Collector가 회수한다.