[Java] JVM 개념 및 동작 원리

JVM 이란?

• Java Virtual Machine 의 약자
• 자바 가상 머신 (가상 컴퓨터, 실제 컴퓨터는 아닌 소프트웨어로 만들어진 컴퓨터)
• 자바와 운영체제 사이에서 중개자 역할을 수행
• 자바 바이트 코드를 실행하기 위한 기계
• 가비지 컬렉터(Garbage Colletor : GC)를 사용한 메모리 관리를 자동으로 수행
• 레지스터 기반이 아닌 스택 기반으로 동작
• 한번 작성하면, 어디서든 실행! (Write once, run anywhere) - Sun Microsystems

[ 기존 애플리케이션 동작 구조 ]

windows용으로 작성 된 애플리케이션은 windows 운영체제에서만 사용가능
만약, Macintosh 운영체제에서 사용 되려면 windows용으로 작성 된 애플리케이션을
macintosh용으로 애플리케이션을 수정해야만 한다.
( 해당 운영체제에 맞게 다시 컴파일 해야함 )

[ JVM의 동작 구조 ]

Java는 여러 운영체제별로 JVM이 만들어져 있기 때문에
하나의 Java로 만들어 놓은 애플리케이션을
JVM만 설치 되어 있으면 어느 운영체제에서도 실행하는데 문제가 없다.

Java 프로그램의 실행 단계

1. 프로그램이 실행되면 JVM은 OS로 부터 이 프로그램이 필요로 하는 메모리를 할당 받는다.
👉 JVM은 할당 받은 메모리를 용도에 따라 여러 영역으로 나누어서 관리한다.

2. 자바 컴파일러(JAVAC)가 자바 소스코드(.java)를 읽어들여 자바 바이트코드(.class)로 변환 시킨다.

3. Class Loader를 통해 .class 파일들을 JVM으로 로딩한다.

4. 로딩 된 .class 파일들은 Execution engine을 통해 해석 된다.

5. 해석 된 바이트 코드는 Runtime Data Areas에 배치 되어 실질적인 수행이 이루어지게 된다.
👉 이러한 실행 과정 속에서 JVM은 필요에 따라 Thread Synchronization과 GC 같은 관리작업을 수행한다.

JVM 구성

Class Loader ( 클래스 로더 )

• JVM 내로 클래스(.class 파일)를 로드하고, 링크를 통해 배치하는 작업을 수행하는 모듈
• Runtime 시에 동적으로 클래스를 로드
• .jar 파일 내 저장 된 클래스들을 JVM 위에 탑재하고, 사용하지 않는 클래스들은 메모리에서 삭제
• 클래스를 처음으로 참조할 때, 해당 클래스를 로드하고 링크한다. 👉 이 역할을 클래스 로더가 수행

Execution Engine ( 실행 엔진 )

• 클래스를 실행시키는 역할
• Class Loader가 JVM 내의 런타임 데이터 영역에 바이트 코드를 배치시키고, 이것은 실행 엔진에 의해 실행
• 자바 바이트코드( Byte Code )란?
  • 기계가 바로 수행할 수 있는 언어보다는 비교적 인간이 보기 편한 형태로 기술 된 것
• 위와 같은 바이트코드를 실제로 JVM 내부에서 기계가 실행할 수 있는 형태로 변경함

Java Byte Code 👉 기계어 변환되는 방식 2가지

• Interpreter ( 인터프리터 )
  • 실행 엔진은 자바 바이트 코드를 명령어 단위로 읽어서 실행
  • 한 줄씩 수행하기 때문에 느림
• JIT ( Just - In - Time )
  • Interpreter 방식의 단점을 보완하기 위해 도입된 JIT 컴파일러
  • 인터프리터 방식(한 줄씩 수행)으로 실행하다가 적절한 시점에 바이트코드를 전체 컴파일하여,
    네이티브 코드로 변경하고 이후에는 더 이상 인터프리팅 하지 않고 네이티브 코드로 직접 실행하는 방식
    👉 변경 된 네이티브 코드는 캐시에 보관하기 때문에 한 번 컴파일 된 코드는 빠르게 수행할 수 있다.
  • JIT 컴파일러가 컴파일하는 과정은 바이트코드를 인터프리팅하는 것보다 훨씬 오래걸리므로 한 번만 실행 되는 코드라면 JIT로 컴파일하지 않고 인터프리팅하는 것이 유리
  • JIT 컴파일러를 사용하는 JVM들은 내부적으로 해당 메서드가 얼마나 자주 수행되는지 체크하고,
    일정 정도를 넘을 때에만 컴파일을 수행한다.

Garbage Collector ( G.C : 가비지 컬렉터 )

• GC를 수행하는 모듈(쓰레드)

Runtime Data Area

프로그램을 수행하기 위해 OS에서 할당받은 메모리 공간

JVM이 자바 바이트 코드를 실행하기 위해 사용하는 메모리 공간

Method Area / Heap은 모든 스레드가 공유

• PC Register
  • Thread가 시작될 때 생성 👉 스레드마다 하나 씩 존재
  • 각 스레드는 메서드를 항상 실행하고 있고, PC는 그 메서드 안에서 몇 번째 줄을 실행해야 하는지 나타내는 역할
  • Thread가 어떤 부분을 어떤 명령으로 실행해야할 지에 대한 기록을 하는 부분
    👉 현재 수행 중인 JVM 명령의 주소를 갖는다.
• JVM stack 영역
  • 프로그램 실행과정에서 임시로 할당되었다가 메소드를 빠져나가면 바로 소멸되는 특성의 데이터를 저장하기 위한 영역
  • 각종 형태의 변수나 임시 데이터, 스레드나 메소드의 정보를 저장
  • 메소드 호출 시 마다 각각의 스택 프레임 생성
  • 메소드 수행이 끝나면 프레임 별로 삭제
  • 메소드 안에서 사용되는 값들(Local Variable array, Operand Stack, Frame Data) 저장
  • 다시 호출 된 메소드의 매개변수, 지역변수, 리턴 값 및 연산 시 일어나는 값들을 임시로 저장
• Native Method stack ( 네이티브 메소드 스택 )
  • 자바 프로그램이 컴파일 되어 생성되는 바이트 코드가 아닌 실제 실행할 수 있는 기계어로 작성된 프로그램을 실행시키는 영역
  • Java가 아닌 다른 언어로 작성된 코드를 위한 공간
  • Java Native Interface를 통해 바이트 코드로 전환하여 저장
  • 일반 프로그램처럼 커널이 스택을 잡아 독자적으로 프로그램을 실행 시키는 영역
  • Native Method Stack을 통해 C code를 실행시켜 Kernel에 접근할 수 있음
• Method Area ( = Class area = Static area )
  • 클래스 로더가 클래스 파일을 읽어오면, 클래스 정보를 파싱해서 Method Area에 저장
    • 변수, 메서드, 정적 변수 등이 어떤게 있는지 저장하는 것
  • 클래스 정보를 처음 메모리 공간에 올릴 때 초기화되는 대상을 저장하기 위한 메모리 공간
  • 클래스 데이터를 위한 공간
  • 사실상 컴파일 된 바이트 코드의 대부분이 메소드 바이트코드이기 때문에 거의 모든 바이트 코드가 올라간다고 봐도 상관 없다.
  • 올라가게 되는 메소드의 바이트 코드는 프로그램의 흐름을 구성하는 바이트 코드
    • 자바 프로그램은 main 메소드의 호출에서 부터 계속 된 메소드의 호출로 흐름을 이어가기 때문
    • 대부분의 인스턴스의 생성도 메소드 내에서 명령하고 호출
  • Runtime Constant Pool 이라는 별도의 관리 영역도 함께 존재
    • 상수 자료형을 저장하고 참조하고 중복을 막는 역할 수행
• Heap ( 힙 )
  • 프로그램을 실행하면서 생성한 모든 객체를 저장
    • 객체를 저장하는 가상 메모리 공간
  • 'new' 연산자로 생성 된 객체와 배열을 저장
  • class area에 올라온 클래스들만 객체로 생성할 수 있음

• New/Young Generation
  • Eden - 객체들이 최초로 생성되는 공간
  • Survivor 0 / 1 - Eden에서 참조되는 객체들이 저장되는 공간
• Old
  • New area에서 일정 시간 참조되고 있는, 살아남은 객체들이 저장되는 공간
  • Eden 영역에 객체가 가득 차게되면 첫번째 GC가 발생
  • Eden 영역에 있는 값들을 Survivor 1 영역에 복사하고 이 영역을 제외한 나머지 영역의 객체를 삭제
• Permanent Generation ( 퍼머넌트 제너레이션 )
  • 생성된 객체들 정보의 주소값이 저장되는 공간
  • Class Loader에 의해 Load 되는 Class, Method 등에 대한 Meta 정보가 저장되는 영역
  • JVM에 의해 사용됨
  • Reflection을 사용하여 동적으로 클래스가 로딩되는 경우에 사용됨
  • 내부적으로 Reflection 기능을 자주 사용하는 Spring Framework를 이용할 경우 이 영역에 대한 고려가 필요
• Reflections ( 리플랙션 ) 이란?
  • 구체적인 클래스 타입을 알지 못해도 그 클래스의 메소드, 타입, 변수들에 접근할 수 있도록 해주는 자바 API
  • 컴파일 시가 아닌 실행 시에 동적으로 특정 클래스의 정보를 추출할 수 있는 프로그래밍 기법

 

 

 

 

 

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https://steady-coding.tistory.com/305

JVM 메모리 구조란? (JAVA)

https://asfirstalways.tistory.com/158

#자바가상머신, JVM(Java Virtual Machine)이란 무엇인가?

https://www.youtube.com/watch?v=UzaGOXKVhwU