JVM(Java Virtual Machine)이란?

• JVM은 Java가 가상 메모리를 사용하기 위한 VM이다.
  • JVM 기반의 다른 프로그래밍 언어들도 존재한다 (Java를 대체하기 위해 나온 Kotlin이나 스칼라 등)
• program.java를 컴파일 하여 *.class 파일을 JVM에서 기계어로 바꾸어 실행시켜준다.

Virtual Memory와 Multiply mapped memory space

• JVM의 메모리 주소는 가상 메모리 주소를 사용한다. (물리적 메모리 주소가 아니다)
• 가상 메모리는 몇 가지 장점이 있다.
  • 하나 이상의 가상 주소가 동일한 하나의 물리 주소를 가리킬 수 있다.
  • 물리 메모리 공간보다 큰 가상 메모리 공간을 사용할 수 있다.

동작 방식

• JVM의 역할은 자바 앱을 클래스 로더를 통해 읽어 자바 API와 함께 실행하는 것이다.

JVM의 동작방식

1. 자바 프로그램 실행 시 JVM은 OS로부터 메모리를 할당 받는다.
2. 자바 컴파일러(javac)가 자바 소스코드(.java)를 자바 바이트 코드(.class)로 컴파일한다.
3. Class Loader는 동적 로딩을 통해 필요한 클래스들을 로딩 및 링크 하여 Runtime Data Area(실질적인 메모리를 할당 받아 관리하는 영역)에 올린다.
4. Runtime Data Area에 로딩된 바이트 코드는 Execution Engine을 통해 해석된다.
5. 이 과정에서 Execution Engine에 의해 Garbage Collector의 작동과 Thread 동기화가 이루어진다.

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JVM의 구조

JVM의 구조

JVM 구성요소

1. 클래스 로더(Class Loader)
2. 실행 엔진(Execution Engine)
   1. 인터프리터(Interpreter)
   2. JIT 컴파일러(Just-in-Time)
   3. 가비지 컬렉터(Garbage Collector)
3. 런타임 데이터 영역(Runtime Data Area)
   1. 메소드 영역
   2. 힙
   3. PC Register
   4. JVM 스택
   5. 네이티브 메소드 스택
4. JNI (Java Native Interface)
5. 네이티브 메소드 라이브러리

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1. 클래스 로더 (Class Loader)

ClassLoader

• 클래스 로더는 JVM 내로 클래스 파일(*.class)을 동적으로 로드하고, 링크를 통해 배치하는 작업을 수행하는 모듈이다.
  • 즉, 로드된 바이트 코드(.class)들을 엮어서 JVM의 메모리 영역인 Runtime Data Areas에 배치한다.
• 클래스를 메모리에 올리는 로딩 기능은 한번에 메모리에 올리지 않고, 어플리케이션에서 필요한 경우 동적으로 메모리에 적재하게 된다.

클래스 파일 로딩 순서

1. Loading (로딩)
   1. 클래스 파일을 가져와서 JVM의 메모리에 로드한다.
2. Linking (링크)
   1. Verifying(검증) : 읽어들인 클래스가 JVM 명세에 명시된 대로 구성되어 있는지 검사한다.
   2. Preparing(준비) : 클래스가 필요로 하는 메모리를 할당한다.
   3. Resolving(분석) : 클래스의 상수 풀 내 모든 심볼릭 레퍼런스를 다이렉트 레퍼런스로 변경한다.
3. Initialization (초기화)
   1. 클래스 변수들을 적절한 값으로 초기화 한다. (static 필드들을 설정된 값으로 초기화 등)

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2. 실행 엔진 (Execution Engine)

• 실행 엔진은 클래스 로더를 통해 런타임 데이터 영역에 배치된 바이트 코드를 명령어 단위로 읽어서 실행한다.
• 즉, 바이트 코드를 실제로 JVM내부에서 기계가 실행할 수 있는 형태로 변경해준다.
• 이 수행과정에서 실행 엔진은 인터프리터와 JIT 컴파일러 두 가지 방식을 혼합하여 바이트 코드를 실행한다.

인터프리터(Interpreter)

• 바이트 코드 명령어를 하나씩 읽어서 해석하고 바로 실행한다.
• JVM안에서 바이트코드는 기본적으로 인터프리터 방식으로 동작한다.
• 다만, 같은 메소드라도 여러번 호출이 된다면 매번 해석하고 수행해야 되서 전체적인 속도는 느리다.

JIT 컴파일러(Just-In-Time Compiler)

• 인터프리터의 단점을 보완하기 위해 도입된 방식으로 반복되는 코드를 발견하여 바이트 코드 전체를 컴파일하여 Native Code로 변경하고, 이후에는 해당 메소드를 더 이상 인터프리팅 하지 않고 캐싱해 두었다가 네이티브 코드로 직접 실행하는 방식이다.
• Tip. 네이티브 코드는 JAVA에서 부모가 되는 C, C++, 어셈블리어로 구성된 코드를 의미한다.

가비지 컬렉터(Garbage Collector, GC)

• JVM은 가비지 컬렉터를 이용하여 Heap 메모리 영역에서 더는 참조되지 않는 객체의 메모리를 회수해 준다.
• Full GC(Major GC)가 발생하는 경우 GC를 제외한 모든 스레드가 중지되기 때문에 장애가 발생할 수 있다.

Tip. 수동으로 GC를 실행하기 위해 System.gc()로 gc실행 메소드를 호출할 수 있지만, 실제 실행은 보장되지 않는다.

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3. 런타임 데이터 영역(Runtime Data Area)

JVM 런타임 데이터 영역

런타임 데이터 영역은 JVM의 메모리 영역으로 자바 애플리케이션을 실행할 때 사용되는 데이터들을 적재하는 영역이다.

JVM의 런타임 데이터 영역의 영역들과 용도, 생명주기 및 스레드 공유 여부

1. Method Area(Static)

• 메소드 영역은 JVM이 시작될 때 생성되는 공간으로 바이트 코드(*.class)를 처음 메모리 공간에 올릴 때 초기화되는 대상을 저장하기 위한 메모리 공간이다.
• JVM이 동작하고 클래스가 로드될 때 적재되서 프로그램이 종료될 때까지 저장된다.

Tip. 메소드 영역(Method Area)는 Class Area나 Static Area로도 불린다.

• 모든 쓰레드가 공유하는 영역이라 다음과 같이 초기화 코드 정보들이 저장되게 된다.
  1. Field Info : 멤버변수의 이름, 데이터 타입, 접근 제어자의 정보
  2. Method Info : 메소드명, return타입, 매개변수, 접근 제어자의 정보
  3. Type Info : 클래스인지 인터페이스인지 여부 저장, Type의 속성, Super Class의 이름
• 메소드 영역에는 정적 필드와 클래스 구조만 갖고 있다고 할 수 있다.

📌 메소드 영역 / 런타임 상수 풀의 사용기간 및 스레드 공유 범위

• JVM 시작시 생성
• 프로그램 종료 시까지
• 명시적으로 null 선언 시

 

Runtime Constant Pool

• 메소드 영역에 존재하는 별도의 관리영역
• 각 클래스/인터페이스 마다 별도의 constant pool 테이블이 존재하는데, 클래스 생성할 때 참조해야할 정보들을 상수로 가지고 있는 영역이다.
• JVM은 이 Constant Pool을 통해 해당 메소드나 필드의 실제 메모리 상 주소를 찾아 참조한다.
• 즉, 상수 자료형을 저장하고 참조하고 중복을 막는 역할을 한다.

• 요약
  1. 용도
     1. JVM에서 읽어들인 클래스와 인터페이스에 대한 런타임 상수 풀(Runtime Constant pool), 메소드와 필드, Static변수(클래스 변수), 메소드 바이트 코드 등을 보관.
        1. (클래스, 클래스 변수, 런타임 상수 풀, 메소드, 필드)
  2. 사용기간
     1. JVM 시작 시 생성
     2. 프로그램 종료 시까지 명시적으로 null 선언 시 GC 대상
     3. 구성방식이나 GC방법은 JVM벤더마다 약간 다를 순 있음.
  3. 쓰레드 공유
     • 모든 쓰레드에서 공유
  • Runtime Constant Pool
    1. Method Area 영역에 포함되지만 중요성을 띈다.
    2. 클래스 파일 constant_pool 테이블에 해당하는 영역.
    3. 클래스와 인터페이스 상수, 메소드와 필드에 대한 모든 레퍼런스 저장.
    4. JVM은 런타임 상수 풀을 통해 해당 메소드나 필드의 실제 메모리 상 주소를 찾아 참조.

2. Heap Area

• 힙 영역은 메소드 영역과 함께 모든 쓰레드가 공유하며, JVM이 관리하는 프로그램 상에서 데이터를 저장하기 위해 런타임 시 동적으로 할당하여 사용하는 영역이다.
• new 연산자로 생성되는 클래스와 인스턴스 변수, 배열 타입 등 Reference Type이 저장되는 곳이다.

<aside> 📌 힙 영역의 사용기간 및 쓰레드 공유 범위

• 객체가 더 이상 사용되지 않거나 명시적으로 null 선언 시
• GC(Garbatge Collection) 대상

</aside>

• 유의할 점은 힙 영역에 생성된 객체와 배열을 Reference Type으로써, JVM 스택 영역의 변수나 다른 객체의 필드에서 참조된다는 점이다.
• 즉, 힙의 참조 주소는 스택이 갖고 있고 해당 객체를 통해서만 힙 영역에 있는 인스턴스를 핸들링 할 수 있는 것이다.

• 만일 참조하는 변수나 필드가 없다면 의미 없는 객체가 되기 때문에 이것을 쓰레기로 취급하고 JVM은 쓰레기 수집기인 Garbage Collector를 실행시켜 쓰레기 객체를 힙 영역에서 자동으로 제거된다.
• 이처럼 힙 영역은 가비지 컬렉션에 대상이 되는 공간이다.
• 효율적인 가비지 컬렉션을 수행하기 위해 세부적으로 다음과 같이 5가지 영역으로 나뉘게 된다.

GC 구조

• 이렇게 다섯가지 영역(Eden, survivor 0, survivor 1, Old, Permanent)으로 나뉜 힙 영역은 다시 물리적으로 Young Generation 과 Old Generation 영역으로 구분되게 되는데 다음과 같다.
• Young Generation : 생명 주기가 짧은 객체를 GC 대상으로 하는 영역.
  • Eden : new를 통해 새로 생성된 객체가 위치. 정기적인 쓰레기 수집 후 살아남은 객체들은 Survivor로 이동
  • Survivor 0 / Survivor 1 : 각 영역이 채워지게 되면, 살아남은 객체는 비워진 Survivor로 순차적으로 이동
• Old Generation : 생명 주기가 긴 객체를 GC 대상으로 하는 영역. Youn Generation에서 마지막까지 살아남은 객체가 이동
• 요약
  1. 용도
     • 프로그램 상에서 데이터를 저장하기 위해 런타임 시 동적으로 할당하여 사용하는 메모리 영역.
     • new연산자를 통해 생성한 객체, 또는 인스턴스와 배열을 저장.
     • JVM이 관리
  2. 사용기간
     1. 객체가 더 이상 쓰지 않거나, 명시적으로 null 선언시 GC 대상
     2. 구성방식이나 GC방법은 JVM 벤더마다 다를 수 있음.
  3. 쓰레드 공유
     1. 모든 쓰레드에서 공유

3. Stack Area

• 스택 영역은 int, long, boolean 등 기본 자료형을 생성할 때 저장하는 공간으로, 임시적으로 사용되는 변수나 정보들이 저장되는 영역이다.
• 메서드 호출 시마다 각각의 **스택 프레임(그 메서드만을 위한 공간)**이 생성되고 메서드 안에서 사용되는 값들을 저장하고, 호출된 메서드의 매개변수, 지역변수, 리턴 값 및 연산 시 일어나는 값들을 임시로 저장한다.
• 그리고 메서드 수행이 끝나면 프레임별로 삭제된다.

<aside> 📌 [ 스택 프레임(stack frame) ]

메소드가 호출될 때마다 프레임이 만들어지며, 현재 실행중인 메소드 상태 정보를 저장하는 곳이다

메서드 호출 범위가 종료되면 스택에서 제거된다.

스택 프레임에 쌓이는 데이터는 메서드의 매개변수, 지역변수, 리턴값, 연산시 결과값 등이 있다

</aside>

• 각 쓰레드마다 하나씩 존재하며 스택 프레임의 개념도 결국 스레드에 스택이 할당 되는 걸 말한다.
• 쓰레드를 추가 생성하지 않고 그냥 메소드를 돌리면 main쓰레드에서 돈다. 시스템 쓰레드 같은건 GC나 JVM이 작동되기 위해 필요한 시스템 메소드들(네이티브 메소드 같은거)가 실행 됨.

Runtime Data Area

• 요약
  1. 용도
     • 선입후출 구조(FILO). 메소드 호출 시 생성되는 스레드 수행정보를 기록하는 Frame 저장.
     • 메소드 정보, 지역변수, 매개변수, 연산 중 발생하는 임시 데이터 저장.
  2. 사용기간
     • 메소드 블럭 {} 이나 메소드가 끝날 때.
  3. 쓰레드 공유
     1. 각 쓰레드 별로 생성

4. PC 레지스터

• PC레지스터는 쓰레드가 시작될 때 생성되며, 현재 수행중인 JVM 명령어 주소를 저장하는 공간이다.
• JVM 명령의 주소는 쓰레드가 어떤 부분을 무슨 명령으로 실행해야할 지에 대한 기록을 가지고 있다.
• 일반적으로 프로그램의 실행은 CPU에서 명령어(Instruction)을 수행하는 과정으로 이루어진다.
• 예를들어, A와 B라는 데이터와 피연산 값인 Operand가 있고 이를 더하라는 연산 Instruction이 있다고 하자.
  • A와 B, 그리고 더하라는 연산이 순차적으로 진행이 되게 되는데, 이때 A를 받고 B를 받는 동안 이 값을 CPU가 어딘가에 기억해 두어야 할 필요가 생긴다.
  • 이 공간이 바로 CPU 내의 기억장치 Register이다.

CPU 동작과정

• 하지만 자바의 PC Register는 위의 cpu Register와 다르다.
• 자바는 OS나 CPU의 입장에서는 하나의 프로세스이기 때문에 가상 머신(JVM)의 리소스를 이용해야 한다.
• 그래서 자바는 CPU에 직접 연산을 수행하도록 하는 것이 아닌, 현재 작업하는 내용을 CPU에게 연산으로 제공해야 하며, 이를 위한 버퍼 공간으로 PC Register라는 메모리 영역을 만들게 된 것이다
• 따라서 JVM은 스택에서 비연산값 Operand를 뽑아 별도의 메모리 공간인 PC Register에 저장하는 방식을 취한다.
•  

PC Register

• 만약에 스레드가 자바 메소드를 수행하고 있으면 JVM 명령(Instruction)의 주소를 PC Register에 저장한다.
• 그러다 만약 자바가 아닌 다른 언어(C언어, 어셈블리)의 메소드를 수행하고 있다면, undefined 상태가 된다.
• 왜냐하면 자바에서는 이 두 경우를 따로 처리하기 때문이다.
• 이 부분이 바로 뒤에 언급하게 될 Native Method Stack 공간이다.
• 요악

1. 용도
   • 현재 실행 중인 JVM 주소를 가지고 있다.
   • CPU 명령어. 즉, Instruction을 수행한다.
   • CPU instruction 수행하는 동안 필요한 정보를 CPU 내 기억장치인 레지스터에 저장.
     • 연산 및 결과값을 메모리에 전달하기 전 CPU내 기억장치임.
2. 쓰레드 공유
   1. 각 쓰레드별로 생성

5. Native Method Stack Area

• 네이티브 메서드 스택는 자바 코드가 컴파일되어 생성되는 바이트 코드가 아닌 실제 실행할 수 있는 기계어로 작성된 프로그램을 실행시키는 영역이다.
• 또한 자바 이외의 언어(C, C++, 어셈블리 등)로 작성된 네이티브 코드를 실행하기 위한 공간이기도 하다.
• 사용되는 메모리 영역으로는 일반적인 C 스택을 사용한다.
• 위에서 배운 JIT 컴파일러에 의해 변환된 Native Code 역시 여기에서 실행이 된다고 보면 된다

Native Method Stack

• 일반적으로 메소드를 실행하는 경우 JVM 스택에 쌓이다가 해당 메소드 내부에 네이티브 방식을 사용하는 메소드가 있다면 해당 메소드는 네이티브 스택에 쌓인다.
• 그리고 네이티브 메소드가 수행이 끝나면 다시 자바 스택으로 돌아와 다시 작업을 수행한다.
• 그래서 네이티브 코드로 되어 있는 함수의 호출을 자바 프로그램 내에서도 직접 수행할 수 있고 그 결과를 받아올 수도 있는 것이다.
• 네이티브 메소드 스택은 바로 다음에 배울 **네이티브 메소드 인터페이스(JNI)**와 연결되어 있는데, JNI가 사용되면 네이티브 메서드 스택에 바이트 코드로 전환되어 저장되게 된다.

 

출처
https://inpa.tistory.com
Java 공식문서