JVM 메모리 구조 이해하기

2024-04-12

JVM 메모리 구조

JVM(Java Virtual Machine)은 자바 프로그램을 실행하기 위한 가상 머신으로, 자바 코드를 바이트코드로 컴파일하고 이를 실행합니다. JVM은 메모리 관리를 위해 다양한 영역으로 구분되어 있으며, 이를 이해하는 것은 자바 개발자에게 중요한 역량입니다.

JVM 메모리는 크게 네이티브 영역과 VM 영역으로 나뉩니다. 네이티브 영역에는 텍스트, 데이터, 힙, 스택 등이 존재하며, 이는 일반적인 프로그램 실행에 필요한 메모리 영역입니다.

VM 영역은 자바 클래스를 구동하기 위한 전용 메모리 영역으로, 네이티브 영역과 유사한 역할을 수행합니다. VM 영역에는 다음과 같은 주요 메모리 영역이 있습니다:

메서드 영역(Method Area): 클래스와 인터페이스의 정보, 상수 풀, static 변수 등이 저장되는 공간입니다. 이 영역은 모든 스레드가 공유합니다.
힙 영역(Heap Area): 객체와 배열이 생성되는 공간으로, 가비지 컬렉션의 대상이 됩니다. 이 영역 또한 모든 스레드가 공유합니다.
스택 영역(Stack Area): 메서드 호출 시 생성되는 지역 변수, 매개변수, 리턴 값 등이 저장되는 공간입니다. 각 스레드마다 독립적인 스택을 가집니다.
PC 레지스터(Program Counter Register): 현재 실행 중인 JVM 명령의 주소를 가리키는 영역으로, 각 스레드마다 독립적인 PC 레지스터를 가집니다.

다음은 JVM 메모리 구조를 간단히 표현한 자바 코드 예시입니다:

public class JVMMemoryExample {
    private static final String CONSTANT = "상수 풀";
    private static int staticVariable = 0;

    public static void main(String[] args) {
        int localVariable = 0;
        String objectReference = new String("힙 영역에 생성된 객체");
        
        methodCall(localVariable);
    }

    private static void methodCall(int parameter) {
        int localVariable = parameter;
        // 메서드 호출 시 스택 영역에 지역 변수와 매개변수 생성
    }
}

위 코드에서 CONSTANT와 staticVariable은 메서드 영역에 저장되고, objectReference가 참조하는 String 객체는 힙 영역에 생성됩니다. main 메서드와 methodCall 메서드 호출 시 사용되는 지역 변수와 매개변수는 각 스레드의 스택 영역에 저장됩니다.

JVM 메모리 구조를 이해함으로써 효율적인 자바 프로그램을 작성하고, 메모리 관련 이슈를 해결할 수 있습니다. 각 영역의 특성과 용도를 고려하여 적절한 메모리 사용을 해야 하며, 불필요한 객체 생성을 줄이고 가비지 컬렉션 오버헤드를 최소화하는 것이 중요합니다.

JVM의 힙

이어서 JVM(Java Virtual Machine)의 힙(Heap) 메모리 구조와 관리에 대해 알아보겠습니다. 힙은 자바 애플리케이션에서 동적으로 할당되는 객체와 배열이 저장되는 공간으로, 가비지 컬렉션(GC)의 대상이 됩니다.

JVM의 힙은 크게 세 가지 영역으로 구분됩니다:

Young Generation(영 제너레이션): 새롭게 생성된 객체가 할당되는 영역입니다. 이 영역은 다시 Eden과 Survivor 영역으로 나뉩니다. 대부분의 객체는 Eden 영역에 먼저 할당되고, GC 발생 시 살아남은 객체는 Survivor 영역으로 이동합니다.
Old Generation(올드 제너레이션): Young Generation에서 일정 시간 이상 살아남은 객체가 이동하는 영역입니다. 대부분의 경우 Young Generation보다 크기가 큽니다.
Permanent Generation(퍼머넌트 제너레이션): 클래스와 메서드의 메타데이터, 상수 풀 등이 저장되는 영역입니다. (Java 8부터는 Metaspace로 대체되었습니다.)

가비지 컬렉터 알고리즘

JVM은 각 영역에 대해 다양한 GC 알고리즘을 적용하여 메모리를 효율적으로 관리합니다. Young Generation에서는 Minor GC가 발생하여 Eden과 Survivor 영역을 정리하고, Old Generation에서는 Major GC(또는 Full GC)가 발생하여 전체 힙을 정리합니다.

GC 동작을 제어하기 위해 다양한 JVM 옵션을 사용할 수 있습니다. 이 옵션들은 애플리케이션의 성능과 안정성에 직접적인 영향을 미치므로, 적절히 설정하는 것이 중요합니다.

JVM 힙은 Young Generation, Old Generation, Permanent Generation(또는 Metaspace)로 구성되어 있습니다. 각 영역은 서로 다른 역할을 담당하며, 이에 따라 다양한 옵션을 사용하여 관리할 수 있습니다. Young Generation은 Eden과 Survivor 영역으로 나뉘며, 새로 생성된 객체가 할당되는 공간입니다. Eden 영역에 할당된 객체 중 GC 후에 살아남은 객체는 Survivor 영역으로 이동합니다. Young Generation의 크기와 비율을 조절하기 위해 다음과 같은 옵션을 사용할 수 있습니다:

-Xmn: Young Generation의 크기를 설정합니다. 일반적으로 -Xms와 -Xmx를 동일한 값으로 설정하는 것이 좋습니다. 이렇게 하면 JVM이 힙 크기를 조정하는 데 소요되는 오버헤드를 줄일 수 있습니다. 최적의 값은 애플리케이션의 메모리 요구 사항과 가용 시스템 리소스에 따라 달라집니다. 충분한 메모리를 할당하여 OutOfMemoryError를 방지하되, 과도한 메모리 할당으로 인한 낭비를 피해야 합니다.
-XX:NewRatio: 이 옵션은 Old Generation 대비 Young Generation의 비율을 설정합니다. 기본값은 2로, Old Generation이 Young Generation의 2배 크기를 갖습니다. 애플리케이션에서 대량의 새 객체가 생성되는 경우 Young Generation의 비율을 높이는 것이 유리할 수 있습니다. 반면, 장기간 살아남는 객체가 많은 경우에는 Old Generation의 비율을 높이는 것이 좋습니다. 최적의 비율은 애플리케이션의 객체 생성 패턴에 따라 다릅니다.
-XX:NewSize는 Young Generation의 초기 크기를 설정하는 JVM 옵션입니다. 이 옵션은 -Xmn과 함께 사용할 수 없으며(Young Generation을 한다는 관점에서 기능 중복으로 인한 모호성이 있음), -XX:MaxNewSize와 함께 사용되어 Young Generation의 크기 범위를 지정합니다. -XX:NewSize의 값은 바이트 단위로 지정되며, 일반적으로 킬로바이트(K), 메가바이트(M), 기가바이트(G) 등의 단위를 사용하여 표현합니다. 예를 들어, -XX:NewSize=256m`은 Young Generation의 초기 크기를 256MB로 설정합니다.
-XX:SurvivorRatio: 이 옵션은 Eden 영역 대비 Survivor 영역의 비율을 설정합니다. 기본값은 8로, 각 Survivor 영역은 Eden 영역의 1/8 크기를 갖습니다. Survivor 영역의 크기가 너무 작으면 Survivor 영역에서 Old Generation으로 객체가 빠르게 이동하여 Major GC 빈도가 높아질 수 있습니다. 반면, Survivor 영역의 크기가 너무 크면 메모리 낭비가 발생할 수 있습니다. 최적의 비율은 애플리케이션의 객체 생존율에 따라 결정됩니다.

Old Generation은 Young Generation에서 오랜 시간 살아남은 객체가 이동하는 영역입니다. 이 영역은 Young Generation보다 크기가 크며, Major GC(또는 Full GC)의 대상이 됩니다. Old Generation의 크기를 조절하기 위해 다음 옵션을 사용할 수 있습니다:

-XX:MaxTenuringThreshold : Young Generation에서 오랫동안 살아남아야할 live 객체가 많은 경우는 값을 낮추고, 그렇지 않다면 기본 값(15)을 사용합니다. live 객체는 최종적으로 Old Generation영역으로 이동을 하게 되며, Old Generation에 객체가 많아지면 Full GC 발생을 할 가능성이 커지게 됩니다.

Permanent Generation(Java 7 이하)은 클래스와 메서드의 메타데이터, 상수 풀 등이 저장되는 영역입니다. Java 8부터는 이 영역이 Metaspace로 대체되었습니다. 이 영역의 크기를 조절하기 위해 다음 옵션을 사용할 수 있습니다:

-XX:MaxPermSize (Java 7 이하): Permanent Generation의 최대 크기를 설정합니다.
-XX:MaxMetaspaceSize (Java 8 이상): 이 옵션은 Metaspace의 최대 크기를 설정합니다. Metaspace는 클래스 메타데이터를 저장하는 데 사용되므로, 클래스 로딩이 많은 애플리케이션에서는 이 값을 충분히 크게 설정해야 합니다. 그러나 과도한 크기 설정은 불필요한 메모리 낭비를 초래할 수 있습니다.

적절한 옵션 값은 애플리케이션의 특성과 가용 리소스에 따라 달라질 수 있습니다. 따라서 프로파일링과 모니터링을 통해 최적의 값을 찾아내는 것이 중요합니다. 또한, JVM 버전과 GC 알고리즘에 따라 사용 가능한 옵션이 다를 수 있으므로, 해당 버전의 문서를 참조하는 것이 좋습니다.

JVM 메모리 관리 옵션을 잘 활용하면 애플리케이션의 성능과 안정성을 향상시킬 수 있습니다. 각 영역의 특성을 이해하고, 적절한 값을 설정하여 메모리를 효율적으로 사용할 수 있도록 노력해야겠습니다.

References

[1] https://www.oracle.com/webfolder/technetwork/tutorials/obe/java/gc01/index.html