Java 메모리 구조와 GC

 

📌 목차

• JVM이 하는 일 개요
• JVM 메모리 구조
  • Method Area
  • Heap
  • Stack
  • PC Register
  • Native Method Stack
• Heap 내부 구조
  • Young / Old Generation
• GC(Garbage Collector) 동작 방식
  • Young GC / Full GC
• 왜 GC 튜닝이 필요한가
• 대표 JVM 옵션 예시

 

 

📌 1. JVM이 하는 일 개요

Java 코드는 실행 시 JVM(Java Virtual Machine)이 다음을 수행한다:

✔ 바이트코드 로딩(ClassLoader)
✔ 메모리 관리
✔ 스레드 관리
✔ GC(Garbage Collection)

이 과정에서 JVM은 자바 메모리를 여러 영역으로 분리하여 관리한다.

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📌 2. JVM 메모리 구조

JVM 메모리는 크게 아래 5개 영역으로 나뉜다

영역	역할	예시
Method Area	클래스 정보 (static, 메서드 코드) 저장	static 메서드, 클래스 로딩 정보
Heap	new로 생성된 객체 저장, GC 관리 대상	new JSONObject()
Stack	스레드별 함수 호출 정보 (지역 변수, 매개변수 등)	int count, parser
PC Register	현재 스레드가 실행 중인 명령 위치
Native Method Stack	JNI 같은 native 코드 실행용

 

✅ 2-1. Method Area (or 클래스 영역)

• 클래스 정보 저장: 필드, 메서드, static 변수
• 모든 스레드가 공유
•  클래스 로더에 의해 클래스 파일이 로드되고 파싱되어 메소드 영역에 저장됨.

 

✅ 2-1-1. Constant Pool (상수 풀)

• 클래스 파일 내부에 위치한 특별한 메모리 영역
• 리터럴 값(문자열, 정수, 부동 소수점 등) 저장
• 중복 저장 없음
• 불변(Immutable)
• JVM 실행 중 재사용 → 메모리 최적화

✅ 2-2. Heap (힙)

• 객체들이 동적으로 할당되는 공간, 인스턴스 변수와 객체들이 저장됩니다.
• new로 생성된 객체가 저장되는 영역
• JVM 실행 중에 동적으로 할당되고 해제
• 객체의 크기나 수명은 런타임에 결정됨
• GC는 이 영역만 수거 (더 이상 참조되지 않는 객체 자동 해제)

✅ 2-3. Stack (스택)

• 스레드마다 별도 할당, 메서드 호출(실행 순서)과 지역 변수들을 저장.
• 메서드 호출 시 Frame 생성
• 메서드 종료 시 자동 해제

 

메소드 영역, 힙 영역, 스택 영역은 자바 프로그램이 실행되는 데 사용되는 메모리 영역들이고,

Native Method Stack Area와 PC Register는 이들과는 다른 목적과 역할을 가지고 있습니다.

 

✅ 2-4. Native Method Stack Area

 

• 네이티브 메서드 호출 (JNI/C/C++ 코드 실행용) 시 생성 및 실행정보 저장됨.
• *Native Method: 자바 언어로 작성된 코드가 아닌, 네이티브 언어(C, C++ 등)로 작성된 코드.

✅ 2-5. PC Register (Program Counter Register)

• 현재 실행 중인 스레드의 명령어 주소(Instruction Pointer)를 저장하는 레지스터
• 스레드마다 1개씩 존재
• 명령어 주소는 다음에 실행될 명령어 주소를 가리킴.
• 스레드가 메서드를 호출하면 PC Register에 호출된 메서드의 시작 주소가 저장되고, 해당 메서드의 실행이 종료되면 다시 이전 명령어 주소로 복원.
• JVM이 스레드를 관리하고 스레드 스위칭을 수행하는데 사용.

 

📌 3. Heap 내부 구조 (Generation)

Heap은 GC 효율을 위해 Generation 구조로 분리된다.

 

[ Young Generation ]
    └ Eden      ← 새 객체가 처음 들어오는 공간
    └ Survivor(S0, S1)  ← 살아남은 객체가 잠시 머무는 공간
[ Old Generation ]
    └ 오래 살아남은 객체가 이동 (장기 보관)

 

✔ Young Generation

• 새로 생성된 객체가 들어오는 곳
• 대부분 금방 사라짐 → 빠른 정리 가능

✔ Old Generation

• Young에서 살아남은 객체가 이동
• 여기 쌓이면 Full GC 발생

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📌 4. GC(Garbage Collector) 동작 방식

용어	대상	특징
Young GC (Minor GC)	Young만	빠르고 자주 발생
Old GC (Major/Full GC)	Old 포함 전체	느림, STW 발생

STW(Stop-The-World)란 GC 중 JVM이 애플리케이션 실행을 멈추는 상황을 의미한다.

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📌 5. 왜 GC 튜닝이 필요한가?

❌ GC가 너무 자주 돌면 → 응답 지연, 끊김
❌ Full GC 시간이 너무 길면 → 서버 다운/타임아웃

 

➡️ 그래서 서버는 상황에 맞게 튜닝 필요

✔ GC 알고리즘 선택
✔ Heap 크기 조절
✔ New/Old 비율 설정

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📌 6. JVM 옵션 예시

-XX:+UseG1GC           # G1 GC 사용 (JDK9+ 기본)
-Xms512m -Xmx1024m     # 최소/최대 Heap
-XX:NewRatio=2         # Old:Young 비율
-XX:+PrintGCDetails    # GC 로그 출력

GC 종류	특징	추천 상황
Serial GC	단일 스레드, 느림	단순한 앱
Parallel GC	멀티스레드, 빠름	Throughput 중요한 서버
CMS	멈춤 짧음, Old 세대 동시 수집	응답 지연 줄이고 싶을 때
G1 GC	Heap을 영역화, Full GC 줄임	대부분 상황에서 무난함 👍 (요즘 기본값)