[Java] JVM(자바 가상 머신)에 대한 모든 것

자바 가상 머신(JVM)

자바 프로그램을 실행하기 위한 가상 머신이다. 이를 통해 자바 언어로 작성된 프로그램을 특정 운영 체제에 종속되지 않고 실행할 수 있게 해준다. 

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자바 가상 머신(JVM)의 동작 방식 

자바 가상 머신(JVM)의 역할은 자바 애플리케이션을 클래스 로더를 통해 읽어 자바 API와 함께 실행하는 것이다. 

 

https://inpa.tistory.com/entry/JAVA-%E2%98%95-JVM-%EB%82%B4%EB%B6%80-%EA%B5%AC%EC%A1%B0-%EB%A9%94%EB%AA%A8%EB%A6%AC-%EC%98%81%EC%97%AD-%EC%8B%AC%ED%99%94%ED%8E%B8

1) 자바 프로그램을 실행하면 JVM은 OS로부터 메모리를 할당받는다. 
2) 자바 컴파일러(javac)가 자바 소스코드(.java)를 자바 바이트 코르(.class)로 컴파일한다. -> 컴파일 (Compile) 
3) Class Loader는 동적 로딩을 통해 필요한 클래스들을 로딩 및 링크하여 Runtime Data Area(실질적인 메모리를 할당 받아 관리하는 영역)에 올린다. 
4) Runtime Data Area에 로딩 된 바이트 코드는 Execution Engine을 통해 해석된다. 
5) 이 과정에서 Execution Engine에 의해 Garbage Collector의 작동과 Thread 동기화가 이루어진다. 

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자바 가상 머신(JVM)의 구조 

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JVM은 아래와 같이 구성되어 있다. 

1) 클래스 로더 (Class Loader) 
2) 실행 엔진 (Execution Engine)
- 인터프리터 (Interpreter)
- JIT 컴파일러 (Just-in-Time)
- 가비지 콜렉터 (Garbage collector) 
3) 런타임 데이터 영역 (Runtime Data Area) 
- 메소드 영역
- 힙 영역
- PC Register
- 스택 영역
- 네이티브 메소드 
4) JNI - 네이티브 메소드 인터페이스 (Native Method Interface)
5) 네이비트 메소드 라이브러리 (Native Method Library) 

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✅ 1) 클래스 로더 (Class Loader) 

`.class` 파일을 읽어 JVM의 메모리 영역(Runtime Data Area)으로 로딩하는 역할을 한다. 

 

단계 

클래스 파일 로딩 순서는 다음과 같이 3단계로 구성된다. (Loading -> Linking -> Initialization) 

1) 로딩 (Loading) : `.class` 파일을 읽어 메모리에 로드를 수행한다. 해당 메모리가 로드되는 시점은 '파일을 실행(Runtime)'할 때이며 Runtime Data Area로 로딩시킨다. 

2) 링킹 (Linking) : 클래스 파일이 사용 가능한지 확인 및 준비 

- 검증 (Verifying) : 읽어들인 클래스가 JVM 명세에 명시된 대로 구성되어 있는지 검사 

- 준비 (Preparing) : 클래스가 필요로 하는 메모리를 할당 

- 분석 (Resolving) : 클래스의 상수 풀 내 모든 심볼릭 레퍼런스를 다이렉트 레퍼런스로 변경  

3) 초기화 (Initialization) : 클래스 변수들을 적절한 값으로 초기화 

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✅ 2) 실행 엔진 (Execution Engine) 

실행 엔진은 클래스 로더를 통해 런타임 데이터 영역에 배치된 바이트 코드를 명령의 단위로 읽어서 실행한다.

자바 바이트 코드(*.class)는 기계가 바로 수행할 수 있는 언어보다는 가상머신이 이해할 수 있는 중간 레벨로 컴파일 된 코드이다. 그래서 실행 엔진은 이와 같은 바이트 코드를 실제 JVM 내부에서 기계가 실행할 수 있는 형태로 변경해준다. 

이 수행 과정에서 실행 엔진은 '인터프리터'와 'JIT 컴파일러' 두 가지 방식을 혼합하여 바이트 코드를 실행한다. 

2-1) 인터프리터 (Interpreter)

바이트 코드 명령어를 하나씩 읽어서 해석하고 바로 실행한다. JVM 안에서 바이트코드는 기본적으로 인터프리터 방식으로 동작된다. 다만 같은 메소드라도 여러 번 호출이 된다면 매번 해석하고 수행해야 되서 전체적인 속도는 느리다. 

 

2-2) JIT 컴파일러 (Just-In-Time Compiler)

위의 인터프리터의 단점을 보완하기 위해 도입된 방식으로 반복되는 코드를 발견하여 바이트 코드 전체를 컴파일하여 Native Code로 변경하고 이후에는 해당 메서드를 더 이상 인터프리팅 하지 않고 캐싱해 두었다가 네이티브 코드로 직접 실행하는 방식이다. 하나씩 인터프리팅하여 실행하는 것이 아니라, 컴파일된 네이티브 코드를 실행하는 것이기 때문에 전체적인 실행 속도는 인터프리팅 방식보다 빠르다. 하지만 바이트코드를 Native Code로 변환하는 데에도 비용이 소요되므로, JVM은 모든 코드를 JIT 컴파일러 방식으로 실행하지 않고 인터프리터 방식을 사용하다 일정 기준이 넘어가면 JIT 컴파일 방식으로 명령어를 실행하는 식으로 진행한다. 

 

2-3) 가비지 컬렉터 (Garbage Collector, GC) 

자바 가상 머신은 가비지 컬렉터를 이용하여 힙 메모리 영역에서 더는 사용하지 않는 메모리를 자동으로 회수해준다. C언어 같은 경우, 개발자가 해제해줘야 하지만, Java는 이 가비지 컬렉터를 이용해서 자동으로 메모리를 실시간 최적화 시켜준다. 따라서 개발자가 따로 메모리를 관리하지 않아도 되므로, 더욱 손쉽게 프로그래밍을 할 수 있도록 해준다. 일반적으로 자동으로 실행되지만, 단 GC(가비지 컬렉터)가 실행되는 시간은 정해져 있지 않다. 특히 Full GC가 발생하는 경우, GC를 제외한 모든 스레드가 중지되기 때문에 장애가 발생할 수 있다. 

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✅ 3) 런타임 데이터 영역 (Runtime Data Area) 

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

런타임 데이터 영역은 위 그림과 같이 크게 Method Area, Heap Area, Stack Area, PC Register, Native Method Stack으로 나눌 수 있다. 

 

이때 Method Area, Heap Area는 모든 스레드(Thread)가 공유하는 영역이고, 나머지 Stack Area, PC Register, Native Method Stack은 각 스레드마다 생성되는 개별 영역이다. 

3-1) 메서드 영역 (Method Area)

메서드 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. 모든 스레드가 공유하는 영역이라, 다음과 같이 초기화 코드 정보들이 저장되게 된다. 

- field info : 멤버 변수의 이름, 데이터 타입, 접근 제어자 정보 

- method info : 메서드 이름, return 타입, 함수 매개변수, 접근 제어자의 정보 

- type info : class 인지 interface인지 여부 저장, type의 속성, 이름 super class의 이름

3-2) 힙 영역(Heap Area) 

힙 영역은 메서드 영역과 함께 모든 스레드가 공유하며, JVM이 관리하는 프로그램 상에서 데이터를 저장하기 위해 런타임 시 동적으로 할당하여 사용하는 영역이다. 즉, new 연산자로 생성되는 클래스와 인스턴스 변수, 배열 타입 등 Reference Type이 저장되는 곳이다. 당연히 메서드 영역에 저장된 클래스만이 생성되어 적재된다. 유의할 점은 힙 영역에 생성된 객체와 배열은 Reference Type으로서, JVM 스택 영역의 변수나 다른 객체의 필드에서 참조된다는 점이다. 즉, 힙의 참조 주소는 스택이 갖고 있고 해당 객체를 통해서만 힙 영역에 있는 인스턴스에 접근할 수 있다. 

만약, 참조하는 변수나 필드가 없다면 의미 없는 객체가 되기 때문에 이것을 쓰레기로 취급하고 JVM은 쓰레기 수집기인 GC를 실행시켜 쓰레기 객체를 힙 영역에서 자동으로 제거한다. -> 힙 영역은 가비지 컬렉터에 대상이 되는 공간이다. 

 

3-3) 스택 영역 (Stack Area) 

스택 영역은 int, long, boolean 등 기본 자료형을 생성할 때 저장되는 공간으로, 임식적으로 사용되는 변수나 정보들이 저장되는 영역이다. 자료구조 Stack은 마지막에 들어온 값이 먼저 나가는 LIFO 구조로 push와 pop 기능 사용방식으로 동작한다. 메서드 호출 시 마다 각각의 스택 프레임이 생성되고 메서드 안에서 사용되는 값들을 저장하고, 호출된 메서드의 매개변수, 지역변수, 리턴 값 및 연산 시 일어나는 값들을 임시로 저장한다. 

 

new에 의해 생성된 클래스는 Heap Area에 저장되고, Stack Area에는 생성된 클래스의 참조인 p만 저장된다.

단, 데이터 타입에 따라 스택과 힙에 저장되는 방식이 다르다는 점을 유의해야 한다. 

- 기본 원시 타입 변수는 스택 영역에 직접 값을 가진다. 

- 참조 타입 변수는 힙 영역이나 메서드 영역의 객체 주소를 가진다. 

 

스택 영역은 각 스레드마다 하나씩 존재하며, 스레드가 시작될 때 할당된다. 프로세스가 메모리에 로드될 때 스택 사이즈가 고정되어 있어, 런타임 시에 스택 사이즈를 바꿀 수 없다. 만일 고정된 크기의 JVM 스택에서 프로그램 실행 중 메모리 크기가 충분하지 않다면 `StackOverFLowError`가 발생하게 된다. 

 

3-4) PC 레지스터 (Program Counter Register) 

PC 레지스터는 스레드가 시작될 때 생성되며, 현재 수행 중인 JVM 명령어 주소를 저장하는 공간이다. JVM 명령의 주소는 스레드가 어떤 부분을 무슨 명령으로 실행해야할 지에 대한 기록을 가지고 있다. 

 

일반적으로 프로그램 실행은 CPU에서 명령어를 수행하는 과정으로 이루어진다. 이때 CPU는 연산을 수행하는 동안 필요한 정보를 레지트서라고 하는 CPU 내의 기억장치를 이용하게 된다. 예를 들어, A와 B라는 데이터와 피연산 값이 Operand가 있고 이를 더라하는 연산 Instruction이 있다고 하자. A와 B, 그리고 더하기 연산자가 순차적으로 진행이 되게 되는데, 이때 A를 받고 B를 받는 동안 이 값을 CPU가 어딘가에 기억해두어야 할 필요가 있다. 그리고 이 공간이 CPU 내의 기억장치 Register이다. 

 

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. 

 

3-5) 네이티브 메서드 스택 (Native Method Stack) 

네이티브 메서드 스택은 자바 코드가 컴파일되어 생성되는 바이트 코드가 아닌 실제 실행할 수 있는 기계어로 작성된 프로그램을 실행시키는 영역이다. 또한, 자바 이외의 언어로 작성된 네이티브 코드를 실행하기 위한 공간이기도 하다. 

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✅  JNI (Java Native Interface) 

자바가 다른 언어로 만들어진 애플리케이션과 상호 작용할 수 있는 인터페이스를 제공하는 프로그램이다.

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✅  Native Method Library 

C, C++로 작성된 라이브러리를 칭한다. 만일 헤더가 필요하면 JNI는 이 라이브러리를 로딩해 실행한다.

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참고 

[Java] JVM(Java Virtual Machine) 이해하기 -1 : 동작 과정

 

☕ JVM 내부 구조 & 메모리 영역 💯 총정리