[Java] Java Virtual Machine(JVM) 이란?

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JVM이란?

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JVM이란 Java Virtual Machine, 자바 가상 머신의 약자를 따서 줄여 부르는 용어이다.

가상머신이란 프로그램이 실행하기 위해 물리적 머신과 유사한 머신을 소프트웨어로 구현한 것

JVM은 스택 기반의 가상머신이다. ARM 아키텍쳐같은 하드웨어는 레지스터 기반으로 동작하지만, JVM은 스택 기반으로 동작한다.

 

JVM의 역할은 다음과 같다.

1. 자바 어플리케이션을 클래스 로더를 통해 읽어들여 자바 API와 함께 실행
2. Java와 OS 사이에서 중개자 역할을 수행하여 Java가 OS에 구애받지 않고 재사용을 가능하게 함
3. 프로그램에 필요한 메모리 할당, 관리
4. GC(Garbage Collection) 수행

 

 

JVM 구조

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Class Loader (클래스 로더)

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

Execution Engine (실행 엔진)

클래스를 실행시키는 역할을 한다. 클래스 로더가 JVM내 런타임 데이터 영역에 바이트 코드를 배치시키면, 실행엔진이 이것을 실행한다. 자바 바이트코드는 기계가 바로 수행할 수 있는 언어가 아닌 인간이 보기 편한 형태로 기술된 것이다. 그래서 실행 엔진은 이와 같은 바이트코드를 실제로 JVM 내부에서 기계가 실행할 수 있는 형태로 변경한다. 이 때 인터프리터, JIT 두 가지 방식을 사용하게 된다.

Interpreter (인터프리터)
실행 엔진은 자바 바이트 코드를 명령어 단위로 읽어서 실행한다. 하지만 이 방식은 인터프리터 언어의 단점을 그대로 가지고 있다. 한 줄씩 수행하기 때문에 느리다는 것이다.

JIT (Just - In - Time)
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 한번 컴파일된 코드는 빠르게 수행하게 된다. 물론 JIT 컴파일러가 컴파일하는 과정은 바이트코드를 인터프리팅하는 것보다 훨씬 오래 걸리므로 한 번만 실행되는 코드라면 컴파일하지 않고 인터프리팅 하는것이 유리하다. 따라서 JIT 컴파일러를 사용하는 JVM들은 내부적으로 해당 메소드가 얼마나 자주 수행되는지 체크하고, 일정 수치를 넘길 때에만 컴파일을 수행한다.

Garbage Collector

GC를 수행하는 모듈(thread)이 있다.

Runtime Data Area

프로그램을 수행하기 위해 OS에서 할당받은 메모리 공간이다.

1. PC Register
Thread가 시작될 때 생성되며, 생성될 때마다 생성되므로 thread마다 하나씩 존재한다. Thread가 어떤 부분을 어떤 명령으로 실행해야할 지에 대한 기록을 하는 부분으로 현재 수행중인 JVM 명령의 주소를 갖는다.

2. JVM Stack (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 시 각각의 스택 프레임(해당 메소드만을 위한 공간)이 생성된다. 메소드 수행이 끝나면 프레임별로 삭제한다. 메소드 안에서 사용되는 값들(local variable)을 저장한다. 또, 호출된 메소드의 매개변수, 지역변수, 리턴 값 및 연산 시 일어나는 값들을 임시로 저장한다.

3. 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. 이 부분을 통해 C code를 실행히켜 Kernel에 접근할 수 있다.

4. Method Area (= Class Area = Static Area)
클래스의 정보를 처음 메모리 공간에 올릴 때 초기화되는 대상을 저장하기 위한 메모리 공간이다. 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 바이트 코드이기 때문에 거의 모든 바이트 코드가 올라간다고 봐도 상관없다. 이 공간에는 Runtime Constant Pool이라는 별도의 관리 영역도 함께 존재한다. 이는 상수 자료형을 저장하여 참조하고 중복을 막는 역할을 수행한다.

Method Area에 저장되는 정보는 다음과 같다.
1) Field Information
멤버변수의 이름, 데이터 타입, 접근 제어자에 대한 정보
2) Method Information
메소드의 이름, 리턴타입, 매개변수, 접근 제어자에 대한 정보
3) Type Information
class인지 interface인지의 여부 저장, Type의 속성, 전체 이름, super class의 전체 이름(interface 혹은 object인 경우 제외)

* Method Area는 클래스 데이터를 위한 공간이라면, Heap 영역은 객체를 위한 공간이다.
  Heap과 마찬가지로 GC의 관리 대상이 된다.

5. Heap (힙 영역)
객체를 저장하는 가상 메모리 공간이다. new 연산자로 생성된 객체와 배열을 저장한다. 물론 class area에 올라온 클래스들만 객체로 생성할 수 있다.

힙은 크게 3가지 부분으로 나눌 수 있다.

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

New/Young Generation
- Eden : 객체들이 최초로 저장되는 공간
- Survivor 0 / 1 : Eden에서 참조되는 객체들이 저장되는 공간

Tenured Generation
New/Young Generation에서 일정 시간 참조되고 있는, 살아남은 객체들이 저장되는 공간이다. Eden 영역에서 GC가 발생하면 살아남은 값들을 Survivor 영역에 복사하고, 해당 영역에서 일정시간 이상 살아남은 객체가 이 영역에 할당된다.

인스턴스는 소멸 방법과 소멸 시점이 지역변수와는 다르기에 힙이라는 별도의 영역에 할당된다. 자바 가상 머신은 매우 합리적으로 인스턴스를 소멸시킨다. 더 이상 인스턴스의 존재 이유가 없다고 판단될 때 소멸시킨다.

위 내용과 관련된 세부사항은 해당 내용을 참고하면 된다.
참고 : https://jangjjolkit.tistory.com/30

[Java] GC(Garbage Collection) 이해하기

 

 

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출저

https://itmining.tistory.com/21

https://asfirstalways.tistory.com/158 

https://sas-study.tistory.com/262