자바의 String과 Constant Pool

JVM에 관하여

#1. JVM

Java코드를 컴파일하면 클래스단위 바이트코드(.class)로 변환된다. 그리고 해당 바이트 코드를 JVM에 실행시키면 Static(Method), Heap, Stack로 나눠 필요한 데이터를 메모리에 저장한다.

 

그 중 Method Area (=Static Area)에서는 각 클래스 별로 다음과 같은 고유 정보를 저장합니다. 정적 공간이라는 이름 답게 프로그램이 종료 될 때까지 메모리에 남아있습니다. (이 영역에서는 GC가 동작하지 않습니다.)

• file data(필드 데이터) : 멤버 변수이름, 타입, 접근제어자등의 메타정보
• method data(메서드 데이터) : 메서드 이름, 리턴타입, 매개변수, 접근제어자등의 메타정보
• constructor(생성자) : 생성자 메서드에 관한 정보.
• static 변수(Class 변수) : 모든 객체가 공유할 수 있는 정적 클래스 변수.
• runtime constant pool (런타임 상수 풀)

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#상수와 리터널(literal)

상수와 리터널을 헷갈릴 수 있는데, 상수는 '초기화 이후 값이 변하지 않는 수' 이다. 변수를 선언 할 때 final 키워드를 이용해 상수로 만들 수 있다.

final int DAY_OF_WEEK = 7; // 참고) 가능하면 상수값은 get 메서드로 제공하는게 좋습니다.

리터널도 상수의 일종인데, 말 그대로 선언없이 바로 사용할 수 있는, 문자 그대로의(=리터널한) 상수를 의미한다. immediate value 라고 하기도 한다.

3
"HEllO"
3.213
'H'

 

변수로 선언하지 않고 바로 상수로 사용하는 값들도 고유의 데이터 타입을 가진다.

참고로 리터널 뒤에 (L, F, D)같은 키워드를 붙여 명시적으로 해당 리터널의 타입을 지정 해줄 수 있다.

object.setNumber(3) // 리터널 '3'의 자료형은 int이다.
object.setName("Hello") // 리터널 "Hello"의 클래스는 String이다.

object.setNumber(3.0) // 리터널 '3.0'의 자료형은 int..? float..? double..?
object.setNumber(3.0F) // 이렇게 명시적으로 Float형 이라고 정해 줄 수 있다.


int a = 1 // 소수점이 없으면 int형 리터널이다. 따로 리터널 표시를 하지 않아도 된다.
boolean b = true // boolean은 값이 true, false 2개밖에 없어 따로 리터널 표시를 안해도 된다.

// 실수 리터널을 사용할 때는 반드시 명시적으로 표시해주자.
long count = 10000L;
float f1 = 2.3F;
double d1 = 5.6D;

 

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# 참조형(Reference)

클래스를 정의하고 new 키워드를 통해 객체를 생성 할 수 있다.

자바에서는 기본 자료형을 제외한 모든 것을 참조형으로 사용한다. 오해하지 말아야 하는게 메모리 주소값을 가지고 있는게 아니라 심볼(=이름)만 가지고 있다. 심볼을 이용해서 실행하는 시점에 JVM이 해당 심볼이 저장되어있는 메모리 주소에 접근한다.

//클래스이름 레퍼런스명 = new 클래스이름();
MadPlay instance = new MadPlay();

 

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# String 클래스

자바에서는 문자열이 클래스로 제공되어진다. 하지만 String 객체의 경우 예외적으로 new 키워드 없이 리터널로 생성할 수 도 있는데, 이를 문자열 리터널 생성 방식이라고 하고 new 키워드를 사용한 것과 메모리에 적재 장소가 달라진다.

// 다른 객체와 마찬가지로 Heap 영역에 할당된다.
String str1 = new String("madplay");

// 스트링 상수값으로 관리된다. String Constant Pool 이라는 영역에 저장된다.
String str2 = "madplay";

String str3 = "madplay"; // 기존 "madplay" 상수 재활용. str 2이랑 같은 메모리 참조
String str4 = new String("madplay"); // 새로운 객체를 생성. str1이랑 다른 메모리 참조

 

String이 객체가 상수(final)로 관리된다.

참고로 String Constant Pool은 기존에는 상수값 전용 메모리에 (Perm 영역) 따로 저장되어졌는데, 런타임중 메모리 증가로 인한 OutOfMemory 예외를 발생시킬 수 있어 Java7 이후로는 객체와 함께 Heap 메모리영역에서 관리하고 있다. 

 

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# 문자열 조작에 StringBuilder를 사용해야 하는 이유

위의 2가지 특징 덕분에 상수 스트링 덧셈 ( "Hello" + "Hi" ) 의 경우 성능이 상당히 구리다.

• 스트링이 상수값인 경우 객체를 수정할 수 없다. 하려면 아예 새로운 객체를 만들어야 한다.
• 덧셈의 피연산자 ("Hello", "Hi")의 경우 문자열 처리 후 쓸모없어지는 경우가 많다. 하지만 스트링은 상수여부와 상관없이 Java8 이후 Heap영역에서 관리된다. 즉 JVM GC의 일거리가 늘어난다.

그래서 대규모로 문자열 조작을 할때에는 StringBuilder를 사용해야 성능 하락이 없다. 더 자세한 건 StringBuffer와 StringBuilder를 다룰 때 설명하도록 하겠다.

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# Constant Pool 이란?

런타임에 생성되는 Static 상수 저장소이다. Constant Pool 객체에 저장되며 아래와 같은 상수 객체를 가진다. 

참고로 상수 풀은 Method Area, 즉 정적영역에 있는 메모리이기에 GC의 대상이 아니다.

// 상수 풀에 저장되는 상수 객체
cp_info {
    u1 tag; // 태그
    u1 info[]; // 값
}

/* tag는 1바이트 숫자로 구성되며 JVM에게 아래와 같은 타입을 제공합니다.
Utf8: 1
Integer: 3 (* Boolean, Short, Byte도 여기에 해당됨)
Float: 4
Long: 5
Double: 6
Class reference: 7
String reference: 8
*/

재미있는 사실은 Primarity Type 뿐만 아니라 String 객체, 레퍼런스 타입이 가진 주소 값도 상수 풀로 관리된다는 것. 다음과 같은 자바클래스를 만들고 디어셈블러 명령인  javap -v 이름.class 를 통해 바이트코드를 분석해보자.

public class ConstantPool { // class 이름을 ConstantPool이라고 지었습니다.

    public void sayHello() {
        System.out.println("Hello World");
    }
}

참고로 [ #n ] 은 상수풀의 n번 인덱스에 접근하는 바이트코드이다.

[ #2 = 상수타입    상수값 ]으로 상수풀의 특정 인덱스에 상수 값을 등록 할 수 있다.

// 위에서 만든 ConstantPool.java의 바이트코드.
   #1 = Methodref          #6.#14         // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Fieldref           #15.#16        // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
   #3 = String             #17            // Hello World
   #4 = Methodref          #18.#19        // java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
   #5 = Class              #20            // com/baeldung/jvm/ConstantPool
   #6 = Class              #21            // java/lang/Object
   #7 = Utf8               <init>
   #8 = Utf8               ()V
   #9 = Utf8               Code
  #10 = Utf8               LineNumberTable
  #11 = Utf8               sayHello
  #12 = Utf8               SourceFile
  #13 = Utf8               ConstantPool.java
  #14 = NameAndType        #7:#8          // "<init>":()V
  #15 = Class              #22            // java/lang/System
  #16 = NameAndType        #23:#24        // out:Ljava/io/PrintStream;
  #17 = Utf8               Hello World
  #18 = Class              #25            // java/io/PrintStream
  #19 = NameAndType        #26:#27        // println:(Ljava/lang/String;)V
  #20 = Utf8               com/baeldung/jvm/ConstantPool
  #21 = Utf8               java/lang/Object
  #22 = Utf8               java/lang/System
  #23 = Utf8               out
  #24 = Utf8               Ljava/io/PrintStream;
  #25 = Utf8               java/io/PrintStream
  #26 = Utf8               println
  #27 = Utf8               (Ljava/lang/String;)V

좀 더 자세하게 설명하면 아래와 같다.

// [UTF8 타입] sayHello()메서드의 (입력)리턴 타입을 상수 풀에 저장. void는 V로 표시가능
#8 = Utf8               ()V

// [UTF8 타입] 문자열 "Hello World"의 심볼을 Hello World를 지정하고 이를 상수 풀에 저장 .
#17 = Utf8               Hello World

// [Class 타입] System.out 클래스 레퍼런스를 25번 상수로 상수풀에 저장
#18 = Class              #25            // java/io/PrintStream

// [NameAndType 타입] .println의 Name을 26번상수, Type을 27번 상수로 저장.
#19 = NameAndType        #26:#27        // println:(Ljava/lang/String;)V

// [UTF8 타입] 내가 만든 클래스의 정규이름을 저장 (fully-qualified class name)
#20 = Utf8               com/baeldung/jvm/ConstantPool

상수풀에서 제공하는 타입의 종류

상수풀에 타입을 설명하는 원문

String 상수의 정확한 동작은 모르지만, 16비트 상수 문자열을 통해 상수풀 내부에있는 실제 바이트값을 가르킨다고 합니다. 아마 조립식으로 사용하는 듯 한데.. 너무 깊은 내용이니 나중에 따로 공부할 예정입니다.

• Integer, Float: 32비트 상수 (Boolean, Short, Byte 상수는 Integer 취급)
• Double, Long: 64비트 상수
• String: a 16-bit string constant that points at another entry in the pool which contains the actual bytes
• Class: 정규화된 클래스 이름(fully qualified class name)
• Utf8: 바이트 문자열(a stream of bytes)
• NameAndType: (이름 . 타입) 으로 표시. 보통 다른 상수(#13.#15)를 이용하여 이름과 타입을 지정
• Fieldref, Methodref, InterfaceMethodref: (Class:NameAndType) 으로 표시. Class와 NameAndType은 위에서 설명한 상수풀에서 사용되는 타입을 의미함.

 

 

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# Java7 -> Java8에서의 변경점

기존의 자바는 상수 풀을 Permanent라는 정적 영역에서 관리했었습니다. 하지만 Static 영역은 할당 받은 메모리를 늘릴수가 없어 메모리를 관리하기 번거러웠고 상수가 추가되다보면 StackOverFlow가 발생할 여지가 있어 결국 Java8에서 Heap 영역으로 전환하게 됩니다. 

 

참고로 Heap처럼 OS Level에서 유동적으로 메모리를 할당받는 영역을 Native Memory 라고도 부릅니다.  참고로 JVM 옵션을 이용하여 Perm(Java7), MetaSpace(Java8)의 메모리 크기를 시스템별로 튜닝할 수 있습니다.