JVM

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JVM이란?

JVM이란 JAVA Virtual Machine, 자바 가상 머신의 약자를 따서 줄여 부르는 용어다.

가상머신 : 프로그램을 실행하기 위해 물리적 머신과 유사한 머신을 소트프웨어로 구현한 것이다.

JVM 역할은 자바 애플리케이션을 클래스 로더를 통해 읽어 들여 자바 API와 함께 실행하는 것이다.

그리고 JVM은 JAVA와 OS사이에서 중개자 역할을 수행하여 JAVA가 OS에 구애받지 않고 재사용을 가능하게 해준다. 그리고 가장 중요한 메모리관리, Garbage collection을 수행한다. 그리고 JVM은 스택기반의 가상머신이다. ARM 아키텍처 같은 하드웨어는 레지스터 기반으로 동작하는데 비해 JVM은 스택기반으로 동작한다.

Java 프로그램 실행과정

프로그램이 실행되면 JVM은 OS로부터 이 프로그램이 필요로 하는 메모리를 할당받는다. JVM은 이 메모리를 용도에 따라 여러 영역으로 나누어 관리한다.
자바 컴파일러(javac)가 자바 소스코드(.java)를 읽어들여 자바 바이트코드(.class)로 변환시킨다.
Class Loader를 통해 class파일들을 JVM으로 로딩한다.
로딩된 class파일들은 Execution engine을 통해 해석된다.
해석된 바이트코드는 Runtime Data Areas에 배치되어 실질적은 수행이 이루어지게 된다.
이러한 실행과정 속에서 JVM은 필요에 따라 Thread Synchronization과 GC같은 관리작업을 수행한다.

JVM 구성

클래스 로더(Class Loader)

JVM내로 클래스(.class파일)를 로드하고, 링크를 통해 배치하는 작업을 수행하는 모듈이다. 런타임시에 동적으로 클래스를 로드한다. jar파일 내 저장된 클래스들을 JVM위에 탑재하고 사용하지 않는 클래스들은 메모리에서 삭제한다. 자바는 동적코드, 컴파일 타임이 아니라 런타임에 참조한다. 즉, 클래스를 처음으로 참조할 때, 해당 클래스를 로드하고 링크한다는 것이다. 그 역할을 클래스 로더가 수행한다.

실행 엔진(Execution Engine)

클래스를 실행시키는 역할이다. 클래스 로더가 JVM내의 런타임 데이터 영역에 바이트 코드를 배치시키고, 이것은 실행엔진에 의해 실행된다. 자바 바이트코드는 기계가 바로 수행할 수 있는 언어보다는 비교적 인간이 보기 편한 형태로 기술된 것이다. 그래서 실행 엔진은 이와 같은 바이트코드를 실제로 JVM내부에서 기계가 실행할 수 있는 형태로 변경한다. 이 때 두 가지 방식을 사용하게 된다.

인터프리터(Interpreter)

실행 엔진은 자바 바이트 코드를 명령에 단위로 읽어서 실행한다. 하지만 이 방식은 인터프리터 언어의 단점을 그대로 갖고있다. 한 줄씩 실행하기때문에 느리다는 것이다.

JIT(Just In Time)

Java 17에서 삭제되었다.

인터프리터 방식의 단점을 보완하기 위해 도입된 JIT 컴파일러이다. 인터프리터 방식으로 실행하다가 적절한 시점에 바이트코드 전체를 컴파일하여 네이티브 코드로 변경하고, 이후에는 더 이상 인터프리팅 하지 않고 네이티브 코드로 직접 실행하는 방식이다. 네이티브 코드는 캐시에 보관하기 때문에 한 번 컴파일된 코드는 빠르게 수행하게 된다. 물론 JIT컴파일러가 컴파일하는 과정은 바이트코드를 인터프리팅하는 것보다 훨씬 오래걸리므로 한 번만 실행되는 코드라면 컴파일하지 않고 인터프리팅하는것이 유리하다. 따라서 JIT 컴파일러를 사용하는 JVM들은 내부적으로 해당 메서드가 얼마나 자주 수행되는지 체크하고, 일정 정도를 넘을 때에만 컴파일을 수행한다.

Garbage collector

GC를 수행하는 모듈(쓰레드)이 있다.

Runtime Data Area

프로그램을 수행하기 위해 OS에서 할당받은 메모리 공간이다.

PC Register(Program Counter Register)

쓰레드가 시작될 때 생성되며 생성될 때마다 생성되는 공간으로 스레드마다 하나씩 존재한다.

쓰레드가 어떤 부분을 어떤 명령으로 실행해야할 지에 대한 기록을 하는 부분으로 현재 수행중인 JVM 명령의 주소를 갖는다.

JVM 스택 영역

프로그램 실행과정에서 임시로 할당되었다가 메소드를 빠져나가면 바로 소멸되는 특성의 데이터를 저장하기 위한 영역이다. 각종 형태의 변수나 임시 데이터, 스레드나 메소드의 정보를 저장한다. 메소드 호출 시마다 각각의 스택 프레임이 생성된다. 스택 프레임은 그 메소드만을 위한 공간이다.

메소드 수행이 끝나면 프레임별로 삭제를 한다. 메소드 안에서 사용되는 값들(local variable, 지역변수)을 저장한다. 또 호출된 메소드의 매개변수, 지역변수, 리턴 값 및 연산 시 일어나는 값들을 임시로 저장한다.

Stack Frame 영역

Local Variable Section
Local Variable Section은 Method의 Parameter Value와 Local Variable을 저장한다.
Operand Stack
Operand Stack은 JVM의 작업곤간이다. JVM이 연산에 필요한 데이터와 연산 결과를 Operand Stack에 넣고 처리하기 때문이다.
Frame Data
Stack Frame을 구성하고 있는 영역, Constant Pool Resolution 정보와 method가 정상 종료했을 때의 정보 또는 비정상 종료를 했을 때 발생하는 Exception 정보를 저장하고 있다.

네이티브 메소드 스택(Native method stack)

자바 프로그램이 컴파일되어 생성되는 바이트 코드가 아닌 실제 실행할 수 있는 기계어로 작성된 프로그램을 실행시키는 영역이다. JAVA가 아닌 다른 언어로 작성된 코드를 위한 공간이다. JAVA Native Interface를 통해 바이트 코드로 전환하여 저장하게 된다. 일반 프로그램처럼 커널이 스택을 잡아 독자적으로 프로그램을 실행시키는 영역이다.

메소드 영역(Method Area, Class Area, Static Area)

클래스 정보를 처음 메모리 공간에 올릴 때 초기화되는 대상을 저장하기 위한 메모리 공간. 올라가게 되는 메소드의 바이트 코드는 프로그램의 흐름을 구성하는 바이트 코드이다. 자바 프로그램은 main 메소드의 호출에서부터 계속된 메소드의 호출로 흐름을 이어가기 때문이다. 대부분 인스턴스의 생성도 메소드 내에서 명령하고 호출한다. 사실상 컴파일 된 바이트코드의 대부분이 메소드 바이트코드이기때문에 거의 모든 바이트코드가 올라간다고 봐도 상관없다. 이 공간에는 런타임 상수 풀(Runtime Constant Pool)이라는 별도의 관리 영역도 함께 존재한다. 이는 상수 자료형을 저장하여 참조하고 중복을 막는 역할을 수행한다.

Constant Pool

Constant Pool은 JVM에서 가장 중요한 역할을 수행하는 곳이고, 많이 사용되는 곳이기도 하다. Constant Pool에는 Literal Constant는 물론이고 Field(Member Variable, Class Variable), Method로의 모든 Symbolic Reference까지 가진다. Symbolic Reference의 역할을 하는 곳이 Constant Pool이다.

리터럴 상수(Literal Constant) : 데이터 그 자체를 뜻한다. 메모리 위치 안의 값

심볼릭 레퍼런스(Symbolic Reference) : 참고하는 클래스의 특정 메모리 주소를 참조 관계로 구성한 것이 아닌 참조하는 대상의 이름만을 지정한 것

올라가는 정보의 종류

필드 정보(Field Information)
멤버변수의 이름, 테이터 타입, 접근 제어자에 대한 정보
메소드 정보(Method Information)
메소드의 이름, 리턴타입, 매개변수, 접근제어자에 대한 정보
타입 정보(Type Information)
class인지 interface인지의 여부 저장 / Type의 속성, 전체 이름, super class의 전체 이름(interface 또는 object인 경우 제외)

메소드 영역은 클래스 데이터를 위한 공간.

GC의 관리 대상에 포함된다.

힙 영역(Heap)

객체를 저장하는 가상 메모리 공간이다. new연산자로 생성된 객체와 배열을 저장한다. 물론 클래스 영역에 올라온 클래스들만 객체로 생성할 수 있다.

힙은 세 부분으로 나눌 수 있다.

영구 세대(Permanent Generation)

생성된 객체들의 정보의 주소값이 저장된 공간이다. Class loader에 의해 load되는 Class, Method 등에 대한 Meta 정보가 저장되는 영역이고, JVM에 의해 사용된다. Reflection을 사용하여 동적으로 클래스가 로딩되는 경우에 사용된다. 내부적으로 Reflection 기능을 자주 사용하는 Spring Framework를 이용할경우 이 영역에 대한 고려가 필요하다.

JDK 8에서 이 영역은 삭제되었다.

New/Young 영역

Eden : 객체들이 최초로 생성되는 공간
Survivor 0 / 1 : Eden에서 참조되는 객체들이 저장되는 공간

Old 영역

New 영역에서 일정 시간 참조되고 있는, 살아남은 객체들이 저장되는 공간.

Eden영역에 객체가 가득하게되면 첫번째 GC(minor GC)가 발생한다. Eden영역에 있는 값들을 Survivor 1 영역에 복사하고 이 영역을 제외한 나머지 영역의 객체를 삭제한다.

힙 영역은 객체를 위한 공간.