Java 기본 - JVM이란 무엇일까?

JVM이란?

JVM이란 단어적 의미로는 JAVA Virtual Machine - 자바 가상 머신이라는 의미이다.

가상머신(VM)이란 프로그램의 실행을 위해 물리적인 머신과 유사한 머신을 소프트웨어로 구현한 것이다.

JVM이란 OS에 종속받지 않고 CPU가 Java를 인식, 실행할 수 있게하는 VM이다.

 

자바프로그램의 실행과정

어떤 OS에서 실행되든
자바 컴파일러: 자바 소스코드(.java)를 자바 바이트코드(.class)라는 공용어로 변환시킨 후
JVM: 자바 바이트코드(.class)를 로컬 OS가 인식할 수 있는 바이트코드로 해석해 OS에 지시하는 역할을 한다.

 

1. 프로그램이 실행된다. -> JVM은 OS로부터 이 프로그램이 필요로 하는 메모리를 할당받는다.

(JVM은 이 메모리를 용도에 따라 여러 영역으로 나누어 관리한다.

2. 자바 컴파일러(javac.exe)가 자바 소스코드(.java)를 읽어들여 자바 바이트코드(.class) -> 어느 OS나 동일한 공통어 로 변환시킨다.

3. Class Loader를 통해 class파일들을 JVM으로 로딩한다.

4. 로딩된 class파일들은 Execution engine을 통해 로컬 OS가 인식할 수 있는 바이트코드로 해석된다.

5. 해석된 바이트코드는 Runtime Data Areas에 배치되어 실질적인 수행이 이루어지게 된다.

--> 이 실행과정 속에서 JVM은 필요에 따라 Thread Synchronization, GC같은 관리작업을 수행한다.

 

JVM의 구성요소

 

• 클래스 로더(Class Loader)
• 실행 엔진(Execution Engine)
  • 인터프리터(Interpreter)
  • JIT 컴파일러(Just-in-time)
  • 가비지 콜렉터(Garbage Collector)
• 런타임 데이터 영역(Runtime Data Area)

클래스 로더(Class Loader)

JVM내로 클래스 파일(.class)을 로드하고, 링크를 통해 배치하는 작업을 수행하는 모듈이다.

Runtime시에 클래스를 로드한다. -> 클래스를 처음으로 참조할 때 그 클래스를 로드하고 링크.

jar 파일 내에 저장된 클래스들을 JVM위에 탑재하고 사용하지 않는 클래스들은 메모리에서 삭제한다.

Runtime Data Area에 바이트코드를 배치시킨다.

 

실행 엔진(Execution Engine)

클래스 로더가 배치한 바이트코드를 실행한다.

자바 바이트코드를 바이트코드로 번역하는 역할을 두 가지 방식으로 수행한다.

 

1. 인터프리터(Interpreter)

자바 바이트 코드(OS가 알아듣지 못하는 형태)를 명령어 단위로 읽어서 해석과 동시에 수행한다.

네이티브 코드보다 속도가 느리다.

2. JIT 컴파일러(Just-in-time)

인터프리터의 속도를 보완하기 위해 도입되었다.

자바 바이트코드 전체를 네이티브 코드로 변경(이 과정을 컴파일이라 부른다)하고 직접 실행하는 방식이다.

네이티브 코드는 캐시에 보관하기 때문에 한번 컴파일된 코드는 속도가 빠르다.

다만, 전체 코드를 컴파일을 하는 것은 한줄씩 인터프리팅하는 것보다 속도가 느리기 때문에 한번만 실행되는 코드라면 컴파일하지 않고 인터프리팅하는 것이 유리하다.

따라서 JVM은 내부적으로 해당 메서드가 얼마나 자주 수행되는지 체크하고 일정 정도를 넘을 때만 JIT 컴파일러를 통해 컴파일러를 수행한다.

 

가비지 콜렉터(Garbage Collector)

내용이 많아 별도의 게시글로 뺐다.

가비지 콜렉터를 공부하고 싶다면 하단의 게시글을 참조하면 된다.

2023.06.22 - [Language/Java] - GC란 무엇일까? Garbage Collector?

 

Java Native Interface(JNI)

JVM에 의해 실행되는 코드 중 네이티브로 실행하는 것이 있다면

해당 네이티브 코드를 호출하거나 호출될 수 있도록 만든 일종의 프레임워크

바이트 코드로 전환해주는 역할을 한다.

 

Native Method Library

JNI의 실행에 필요한 라이브러리

 

런타임 데이터 영역(Runtime Data Area)

JVM이 실행하는 동안 사용하는 메모리 공간(OS에게서 할당받은 메모리 공간)

메소드 영역(Method Area = Class Area = Static Area) -> 모든 쓰레드가 공유하는 영역

JVM이 시작될 때 생성되는 공간으로 바이트코드가 저장되는 공간

클래스 정보, 변수 정보, static으로 선언한 변수가 저장되는 공간

• Runtime Constant Pool
  • 메소드 영역에 존재하는 별도의 관리 영역
  • 상수 자료형을 저장하여 참조하고 중복을 막는 역할을 수행한다.
• 메소드 영역에 저장되는 데이터
  • 멤버 변수
    • 변수명, 데이터 타입, 접근 제어자
  • 메소드
    • 메소드명, 리턴 타입, 매개변수, 접근 제어자
  • 타입
    • class인지 interface인지, Type의 속성, 타입명, super 클래스명

 

힙(Heap) -> 모든 쓰레드가 공유하는 영역

동적으로 할당되는 메모리 공간

런타임에 생성되는 객체가 저장되는 공간

new 연산자로 생성된 인스턴스가 저장되는 공간 -> 이 인스턴스를 저장하는 변수는 stack영역에 저장

GC의 대상이 되는 공간

 

힙의 3부분

• Permanent Generation
  • 생성된 객체들의 정보의 주소값이 저장된 공간
  • Class, Method 등에 대한 메타데이터가 저장되는 영역
  • 동적으로 클래스가 로딩되는 경우 사용
• New/Young영역
  • GC의 관리대상(Minor GC)
    • Eden: 객체들이 최초로 생성되는 공간
    • Survivor 0, 1: Eden에서 참조되는 객체들이 저장되는 공간
    • Eden영역에 객체가 가득차게 되면 첫번째 GC가 발생한다.
    • Eden 영역에 있는 값들을 Survivor 0 또는 Survivor 1 영역에 복사하고 이 영역을 제외한 나머지 객체를 삭제한다. + 이동한 객체는 Age 값 증가
• Old 영역
  • GC의 삭제대상(Major GC)
  • 생명주기가 긴 오래된 객체를 대상으로 하는 영역이다.
  • New/Young영역에서 일정시간 참조되고 있는 객체들(Age값이 특정값 이상된 객체들)이 저장되는 공간이다.
  • Major GC는 Minor GC보다 느리다.

 

JVM stack

정적으로 할당되는 메모리 공간

메서드를 실행하기 위한 정보들이 저장되는 공간

(지역변수, 파라미터-매개변수, 임시적으로 사용되는 변수, 메서드의 정보)

프레임이라는 자료구조가 내장되어 있다.

프레임은 메서드가 하나 호출될 때마다 새로 생성이 되어 스택되고 메서드가 끝나거나 예외가 발생하면 사라진다.

 

PC Register

쓰레드가 시작될 때 생성되며 현재 수행중인 JVM의 명령어 주소를 저장하는 공간

쓰레드가 어떤 부분을 어떤 명령어로 수행할 지 저장하는 공간

 

Native Method Stack

자바가 아닌 다른 언어로 작성된 코드(기계어 포함)를 위한 공간

JNI (Java Native Interface)가 C/C++ 등의 코드를 수행하기 위한 공간

네이티브 코드도 이곳에 저장되고 실행된다.

 

 

참고자료

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

[JAVA] JVM이란? 개념 및 구조 (JDK, JRE, JIT, 가비지 콜렉터...)