[Java] String Constant pool과 Heap 영역에 대해

public class Person {

    private String name = "KIM";

    public String getName() {
        return name;
    }

    private void introduce() {
        System.out.println("My Name is " + this.name);
    }
}

String의 불변성에 대해 공부하면서 의문점이 들었습니다.
 
만약 위의 클래스로 인스턴스가 100개 생성된다면 멤버변수 name은 100개의 메모리를 할당 받을까?
아니면 100개의 각 인스턴스는 멤버변수 name에 대해 하나의 메모리를 참조하고 있을까? 
 
 Person 클래스의 인스턴스는 new 키워드로 생성되어 Heap 영역에서 관리되므로 인스턴스 변수 또한 Heap 영역에서 관리된다고 생각해서 100개의 메모리를 할당받을 것 같았지만, 실상은 그렇지 않고 아래와 같이 String Constant pool에서 관리되고 있었습니다.

public class PersonTest {
    public static void main(String[] args) {
        Person p = new Person();
        Person p2 = new Person();
        System.out.println(p.getName().equals(p2.getName())); // 동등성 검사결과 : true ( 값이 같은지 )
        System.out.println(p.getName() == p2.getName()); // 동일성 검사결과 : true ( 주소까지 같은지 )
    }
}

 
이 의문점에 대해 정확히 이해하고자 한다면 String Constant Pool과 Heap 영역에 대해 정확히 알아야 합니다. 지금부터 JVM에 String 객체가 어떻게 저장되는지 알아봅시다.

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우선 Java에서 String 객체를 생성하는 방법에는 두 가지가 있습니다.

• 첫 번째. 리터럴인 쌍 따옴표를 사용하는 방식
  • EX) String str = "HI";
• 두 번째. new 키워드를 사용하는 방식
  • EX) String str = new String("HI");

이 두 가지 방식은 결과적으로 보면 같아 보이지만 "어느" 곳에 메모리를 할당받아 저장하느냐에 따른 차이가 있습니다.
 
결론적으로 말하자면 첫 번째 방식(리터럴)은 Heap영역 내부의 String constant pool이라는 영역에, 두 번째 방식(new)은 Heap 영역에 메모리를 할당합니다.
 
첫 번째 방식부터 살펴봅시다.
 

String Constant Pool

아래 코드를 보면 리터럴로 문자열을 저장하여 두 String 객체 모두 다 스트링 풀을 사용하였습니다. 이 때 동등성 뿐만 아니라 동일성 까지 보장되는데 어떻게 가능한 걸까요?

public class ImmutableStringTest3 {
    public static void main(String[] args) {
        String s1 = "HELLO";
        String s2 = "HELLO"; // String s2 = s1;

        System.out.println(s1.equals(s2)); // true
        System.out.println(s1 == s2); // true
    }
}

String pool에 String literal로 생성된 객체의 값이 이미 존재한다면 해당 객체는 String pool의 reference를 참조하게 되어 동일성까지 보장받게 됩니다.

1. String s1 = "HELLO" : literal로 생성됨 ➡️ String Constant Pool에 해당 String 값과 동일한 값을 가진 객체가 있는지 검사 ➡️ 없으면 메모리를 할당
2. String s2 = "HELLO" : literal로 생성됨 ➡️ String Contant Pool에 해당 String 값과 동일한 값을 가진 객체가 있는지 검사 ➡️ 있으므로 참조를 통한 대입 (s2 = s1;)

+ Java 7 버전부터 String Pool이 Heap 영역 내부로 들어오게 되면서 String pool에서도 GC가 수행되게 되어 메모리 부족 오류 위험 또한 줄어들게 되었습니다. 이로 인해 String Constant Pool은 Runtime에서 많은 양의 String 객체를 생성하게 되더라도 많은 양의 메모리 공간을 절약할 수 있습니다.

 

Heap 영역 

반면 new 키워드로 생성된 인스턴스는 Heap 영역에 저장됩니다. 따라서 String pool과 달리 강제적으로 새로운 인스턴스 주소값을 갖도록 사용할 수 있습니다. 코드를 보겠습니다.

public class ImmutableStringTest3 {
    public static void main(String[] args) {
        String s1 = new String("HELLO");
        String s2 = new String("HELLO");
        
        System.out.println(s1.equals(s2)); // true
        System.out.println(s1 == s2); // false
    }
}

위 코드를 보면 s1와 s2가 Heap 영역에 생성됨으로써 서로 다른 메모리를 참조하기 때문에 동등성은 깨지지 않지만, 동일성(같은 메모리를 참조함)이 깨지는 것을 확인할 수 있습니다.

1. String s1 = new String("HELLO") : new로 생성됨 ➡️ 힙 영역에 메모리 할당
2. String s2 = new String("HELLO") : new로 생성됨 ➡️ 힙 영역에 메모리 할당

new 키워드를 통해 생성된 모든 객체는 Heap 영역에 각각 서로 다른 메모리를 할당받게 되어 값이 같은 경우에는 동등성을 보장할지 몰라도, 여러 개의 객체가 각각의 Heap 영역을 차지하기 때문에 동일하지 않다고 볼 수 있습니다.
 
이러한 점에서 String pool을 이용하느냐, new 키워드로 Heap영역을 이용하느냐의 차이를 볼 수 있었습니다.

• 리터럴을 이용하여 객체를 만들면 객체는 String pool에 저장 되고, 이 때 String pool을 검사하여 값이 동등한 경우 같은 곳을 참조하도록 설정되어 있어 동일성까지 보장받습니다.
• new 키워드를 사용하면 각각의 객체는 Heap 영역의 서로 다른 공간에 저장되고, 이 경우에는 값이 같더라도 참조가 다르기 때문에 동일성을 보장하지 않습니다.
• 둘 다 Heap 영역이기 때문에 가비지 컬렉션의 대상이 된다는 점은 동일합니다.

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<참고 자료>
 

[JAVA] 상수 풀(String Pool)은 GC가 될까?

 

String Constant Pool이란? | Java String Pool