[Java] 2. 자바 가상 머신 (JVM)

자바 가상 머신 (Java Virtual Machine: JVM)

이전 포스트에서 자바 가상 머신(이하 JVM)에 대해 짧게 언급이 되었습니다. 자바로 코드를 작성(Test.java)하고 이를 컴파일 하면 바이트 코드(Test.class)가 만들어지는데 이는 실행을 위한 기계어가 아닌 중간 기계어입니다. 이를 실행 시키기 위해 운영체제 마다 자바 가상 머신을 사용해 실행 파일을 만들어 실행을 합니다. 이번 포스팅에서는 JVM에 대해서 자세히 알아보도록 하겠습니다.

---

자바프로그램 실행과정 개요

1. 프로그램이 실행되면 JVM은 OS로부터 이 프로그램이 필요로 하는 메모리를 할당받고
   JVM은 이 메모리를 용도에 따라 여러 영역으로 나누어 관리한다.
2. 자바 컴파일러(javac)가 자바 소스코드(.java)를 읽어들여 자바 바이트 코드(.class)로 변환한다.
3. Class Loader를 통해 class 파일들을 JVM으로 로딩한다.
4. 로딩된 class파일들은 Execution engine을 통해 해석된다.
5. 해석된 바이트 코드는 Runtime Data Areas에 배치되어 실질적인 수행이 이뤄진다.

이러한 과정 속에서 JVM은 필요에 따라 Thread Synchronization과 GC같은 관리 작업을 수행한다.

JVM 구성 요소

1. Class Loader(클래스 로더)

JVM내로 클래스(.class 파일)를 로드하고, 링크를 통해 배치하는 작업을 수행하는 모듈입니다. Runtime시에 동적으로 클래스를 로드합니다. jar파일 내 저장된 클래스들을 JVM위에 탑재하고 사용하지 않는 클래스들은 메모리에서 삭제합니다.(컴파일러가 수행합니다.) Java는 클래스를 처음으로 참조할 때, 해당 클래스를 로드하고 링크합니다. 그 역할을 클래스 로더가 수행합니다.

 

2. Execution Engine(실행 엔진)

클래스를 실행시키는 역할을 합니다. 클래스 로더가 JVM 내의 런타임 데이터 영역에 바이트 코드를 배치하고, 실행 엔진이 이를 실행합니다. 실행 엔진은 또한 바이트 코드를 JVM 내부에서 기계가 실행할 수 있는 형태로 변경합니다.

 

3. Interpreter(인터프리터)

실행 엔진은 자바 바이트 코드를 명령어 단위로 읽어서 실행합니다. 한 줄 씩 수행하기 때문에 실행 속도가 느립니다.

 

4. JIT(Just In Time)

Interpreter의 단점을 보완하기 위해 도입된 컴파일러입니다. 인터프리터 방식으로 실행하다가 적절한 시점에 바이트 코드 전체를 컴파일 하여 네이티브 코드로 변경하고, 이후에는 더 이상 인터프리팅 하지 않고 네이티브 코드로 직접 실행하는 방식입니다. 네이티브 코드는 캐시에 보관하기 대문에 한 번 컴파일된 코드는 빠르게 수행됩니다. JIT 컴파일러가 컴파일하는 과정은 바이트 코드를 인터프리팅 하는 것보다 훨씬 오래 걸리기 때문에 한 번만 실행되는코드라면 컴파일하지 않고 인터프리팅 하는 것이 유리합니다. 따라서 JIT 컴파일러를 사용하는 JVM들은 내부적으로 해당 메소드가 얼마나 자주 수행되는지 체크하여 일정 정도를 넘을 때에만 컴파일을 수행합니다.

 

5. Garbage Collector

GC(Garbage Collect)를 수행하는 모듈이 있습니다. (Garbage Collector의 대한 자세한 내용은 다음 포스팅에 다루도록 하겠습니다.)

 

Runtime Data Area

프로그램을 수행하기 위해 OS에서 할당받은 메모리 공간입니다.

1. PC Register

Thread가 시작될 때 생성되며 생성될 때마다 생성되는 공간으로 Thread마다 하나씩 존재합니다. Thread가 어떤 부분을 어떤 명령으로 실행해야할 지에 대한 기록을 하는 부분으로 현재 수행 중인 JVM 명령의 주소를 갖습니다.

 

2. JVM 스택 영역

프로그램 실행과정에서 임시로 할당되었다가 메소드를 빠져나가면 바로 소멸되는 특성의 데이터를 저장하기 위한 영역입니다. 각종 형태의 변수나 임시 데이터, Thread나 메소드의 정보를 저장합니다. 메소드 호출 시마다 각각의 스택 프레임(그 메소드만을 위한 공간)이 생성됩니다. 메소드 수행이 끝나면 프레임 별로 삭제합니다. 또한 메소드 안에서 사용되는 값들(local variable)을 저장합니다. 또 호출된 메소드의 매개변수, 지역변수, 리턴 값 및 연산 시 일어나느 값들을 임시로 저장합니다.

 

3. Native Method Stack

Java 프로그램이 컴파일되어 생성되는 바이트 코드가 아닌 실제 수행할 수 있는 기계어로 작성된 프로그램을 실행하는 영역입니다. Java가 아닌 다른 언어로 작성된 코드를 위한 공간입니다. Java Native Interface를 통해 바이트 코드로 전환하여 저장하게 됩니다. 일반 프로그램처럼 커널이 스택을 잡아 독자적으로 프로그램을 실행시키는 영역입니다. 이 부분을 통해서 C 언어로 작성된 코드를 실행시켜 커널에 접근할 수 있습니다.

 

4. Method Area (Class Area, Static Area)

클래스 정보를 처음 메모리 공간에 올릴 때 초기화 되는 대상을 저장하기 위한 메모리 공간입니다. 올라가게 되는 메소드의 바이트 코드는 프로그램의 흐름을 구성하는 바이트 코드입니다. Java 프로그램은 main 메소드의 호출에서부터 계속된 메소드의 호출로 흐름을 이어가기 때문입니다. 대부분 인스턴스의 생성도 메소드 내에서 명령하고 호출합니다. 사실상 컴파일 된 바이트 코드의 대부분이 메소드 바이트 코드이기 때문에 거의 모든 바이트 코드가 올라간다고 봐도 무방합니다. 이 공간에는 Runtime. Constant Pool이라고 불리는 별도의 관리 영역도 존재합니다. 이곳에서는 상수 자료형을 저장하여 참조하고 중복을 막는 역할을 합니다.

 

올라가는 정보들
1) Field Information
멤버변수의 이름, 데이터 타입, 접근 제어자에 대한 정보

2) Method Information
메소드 이름, 리턴 타입, 매개변수, 접근 제어자에 대한 정보

3) Type Information
class, Interface 여부 저장, Type 속성, 전체 이름, super class의 전체이름

Method Area는 클래스 데이터를 위한 공간, Heap은 객체를 위한 공간
Heap 과 마찬가지로 GC의 관리 대상에 포함됩니다.

 

5. Heap (힙 영역)

객체를 저장하는 가상 메모리 공간입니다. new 연산자로 생성된 객체와 배열을 저장합니다. 물론 class 영역에 올라온 클래스들만 객체로 생성할 수 있습니다. 힙 영역은 세 부분으로 나눠집니다. 

  1) New/Young 영역

  - Eden : 객체들이 최초로 생성되는 공간입니다.

  - Survivor 0 / 1 : Eden에서 참조되는 객체들이 저장되는 공간입니다.

 

  2) Old 영역

  - New area 에서 일정 시간 참조되고 살아남은 객체들이 저장되는 공간입니다. Eden 영역에 객체가 가득차게 되면 첫번째 GC(minor  GC)가 발생합니다. Eden 영역에 있는 값들을 Survivor 1영역에 복사하고 이 영역을 제외한 나머지 영역의 객체를 삭제합니다.

 

  3) Permanent 영역

  - 생성된 객체들의 정보의 주소값이 저장된 공간입니다. Class Loader에 의해 로드되는 클래스, 메소드 등에 대한 Meta 정보가 저장되는 영역이고 JVM에 의해 사용됩니다. Reflection을 사용하여 동적으로 클래스가 로딩되는 경우에 사용됩니다. 내부적으로 Reflection 기능을 자주 사용하는 Spring Framework를 이용할 경우 이 영역에 대한 고려가 필요합니다.

---