JVM

bbookng·2024년 9월 3일

JVM 추가 정리

JVM 에서 JVM 에 관한 기본 정리를 확인할 수 있습니다.
해당 게시물은 JVM 에 관한 추가 내용을 학습한 글입니다.

1. GC와 관련하여 자바에서 내부 클래스를 선언할 때 static 으로 해야하는 이유

public class Outer {
    class Inner {
        void display() {
            System.out.println("Inner class");
        }
    }
}

비정적인 내부 클래스는 외부 클래스의 인스턴스에 대한 숨겨진 참조를 하고 있기 때문에 Outer 클래스의 인스턴스가 존재하는 한 Inner 클래스의 인스턴스는 GC의 대상이 되지 않음. 따라서 필요하지 않은 메모리가 해제되지 않는 상황이 발생하여 메모리 누수가 발생.

public class Outer {
    static class Inner {
        void display() {
            System.out.println("Static Inner class");
        }
    }
}

Inner 클래스가 정적으로 선언되어 있기 때문에 Outer 의 인스턴스에 대한 참조를 가지지 않음. 따라서 Outer 클래스의 인스턴스와는 독립적으로 존재할 수 있음. 외부 클래스와 독립적인 생명 주기를 가지며 GC가 발생할 때 불필요한 참조로 인한 메모리 누수가 발생하지 않음.

- 요약

비정적 내부 클래스가 외부 클래스의 인스턴스를 참조하는 구조로 인해 Eden 영역에서 객체가 Survivor 영역으로 이동할 때, 외부 클래스 인스턴스가 불필요하게 남아있을 수 있어 메모리 누수를 초래할 수 있고, GC의 효율성을 떨어뜨림.

✔ Java8 로 변하며 PermG 영역이 사라지고 MetaSpace가 생겼다

JAVA 7의 JVM

JAVA 8의 JVM

PermG 영역의 고정된 크기 때문에 OOM 문제를 해결하고자.
MetaSpace는 시스템의 네이티브 메모리를 사용하여 클래스 메타데이터를 저장. 필요에따라 동적으로 확장될 수 있기 때문에 위 문제 해결. (OS 레벨에서 관리)
- Class의 메타데이터, Method의 메타데이터, Class와 관련된 배열 객체 메타데이터, JVM 내부 객체들과 JIT의 최적화 정보 저장
- static 객체, 변수 및 String Object -> Heap 에 저장 (기존 PermG)
static 변수 및 객체도 Heap 에 저장되기 때문에 GC의 대상이 되긴 함.
그러나 Class 가 JVM 에 로드될 때 Static 변수 및 객체가 생성되고, 해당 클래스가 메모리에 남아있는 한 static 변수 및 객체를 계속해서 참조하고 있기 때문에 실질적으로 GC의 대상이 아니라고 볼 수 있음.
결론적으로 클래스의 생명 주기와 직접 연관되어 클래스가 메모리에 로드되어 있는 한 static 도 유지됨.
일반적으로 커스텀 클래스 로더를 통해 클래스 로더의 생명 주기를 직접 관리하거나 특정 조건 하에서 클래스를 직접 언로드 하지 않는 이상 보통의 JVM의 클래스 로더는 한 번 로드한 클래스를 클래스 로더가 언로드 되지 않는 이상 언로드 할 수 없음. 그렇기 때문에 로드된 클래스는 재배포 하거나 JVM이 종료되는 시점에 클래스 로더가 언로드 되는 경우를 제외하고는 JVM의 메소드 영역에 보관되며 계속 유효하게 유지됨.

2. "Hello" 와 new String("Hello")은 각각 어느 메모리 영역에 저장되나요? 만약 그 둘이 다르면 왜 String를 저장하는 방법은 일반적인 참조형 객체를 저장하는 방법과 다른가요?

String 으로 생성한 문자열 "Hello" 는 Heap 영역 내에 String Pool에 저장되어 재사용됨.
그러나 new String("Hello") 는 같은 내용이라도 여러 개의 객체가 각각 생성되어 Heap 영역을 차지하게 됨.

public class StringExample {
    public static void main(String[] args) {
        String str1 = "Hello";          // String 리터럴
        String str2 = "Hello";          // String Pool에서 동일한 객체를 참조

        String str3 = new String("Hello");  // 새로운 String 객체 생성
        String str4 = new String("Hello");  // 또 다른 새로운 String 객체 생성

        // str1과 str2는 동일한 객체를 참조
        System.out.println(str1 == str2);   // true

        // str3과 str4는 서로 다른 객체를 참조
        System.out.println(str3 == str4);   // false

        // 문자열 값은 동일함
        System.out.println(str3.equals(str4)); // true
    }
}

메모리를 효율적으로 사용하기 위해서는 String literal 로 String 을 생성하는 것이 좋다 !!!

3. JVM은 단순히 자바 언어를 해석하기 위해 존재하는 것인데 자바 외의 언어로 작성된 코드를 위한 메모리 영역이 왜 존재하게 되는건가요?

JVM 은 자바 프로그램을 실행하기 위해 만들어졌지만 자바로만 작성된 코드가 아니라 성능이나 기존의 레거시 시스템과의 통합을 위해 네이티브 코드와 상호작용이 필요할 수 있음. (운영체제 혹은 라이브러리와 상호작용)
네이티브 코드를 호출하기 위해 JNI 를 사용함. 이 과정에서 네이티브 메서드의 구현과 관련된 메타데이터 및 코드가 네이티브 메서드 영역에 저장됨.

📌 JNI (Java Native Interface)

다른 언어들로 작성된 라이브러리들을 호출하거나 반대로 호출되는 것을 가능하게 하는 프로그래밍 프레임워크

4. 각각의 Area에 할당된 메모리 사이즈가 어떻게 될까요?

JVM 설정 및 시스템에 따라 달라질 것 같습니다 !

5. 컴파일과 빌드는 다른 것인가요? gradle이나 maven이 하는 역할을 말해주시고, jar 파일에 대해서 class와 비교하여 말씀해주세요

(1) 컴파일

소스 코드를 기계가 이해할 수 있는 바이트 코드로 변환하는 과정.
.java 파일을 .class 파일로 변환하는 과정

(2) 빌드

소스 코드를 실행 가능한 프로그램으로 만들기 위한 일련의 작업.
컴파일, 테스트, 패키징 배포 등이 포함됨.
- 종속성 다운로드 - 전처리(Preprocessing)
- 소스코드를 바이너리 코드로 컴파일(Compile)
- 바이너리 코드를 패키징(Packaging)
- 테스트 실행(Testing)
- 프로덕션 시스템에 배포(distribution)
.jar .war 파일 생성

(3) gradle과 maven

빌드 관리 도구
Maven 은 pom.xml 파일을 통해 프로젝트 설정 및 의존성 관리를 진행.
Gradle 은 build.gradle 파일을 통해 프로젝트 설정 및 의존성 관리 진행.
차이점 추가 정리 필요

(4) JAR 와 `.class`

.class
- 자바 컴파일러에 의해 컴파일된 바이트 코드. 각 클래스 마다 하나의 .class 파일이 생성됨
.jar
- 여러 개의 클래스 파일과 관련 리소스 파일(이미지, 텍스트 등) 을 포함하는 압축된 파일

📍 어썸오의 JVM Memory Layout 테코톡 정리

📌 JVM 이란 ?

Java Byte Code를 운영체제에 맞게 해석해주는 역할
작성한 자바 프로그램의 실행 환경을 제공하는 자바 프로그램의 구동 엔진
Java Compiler 는 .java 파일을 .class 라는 자바 바이트 코드로 변환시켜준다. 하지만 바이트 코드는 기계어(Native Code)가 아니므로 OS에서 바로 실행이 되지 않는데, 이 때 JVM은 OS가 Byte Code를 이해할 수 있도록 해석해주는 역할을 한다.
JVM 을 사용하면 하나의 바이트코드로 모든 플랫폼에서 동작하도록 할 수 있다.
JVM 은 메모리 관리도 담당한다. 이를 가비지 컬렉터(GC)라고 한다.

JVM Memory Layout

목적 : 자바 코드를 실행할 때 JVM 런타임 데이터 영역에서 어떤 일이 일어나는지 이해하기
발표 대상

JVM이 무엇이고 왜 필요한지 대략적으로 아는 사람
바이트코드가 무엇인지 알고 한 번이라도 본 적 있는 사람
자바 코드가 실행될 때 JVM 안에서 구체적으로 어떤 일이 일어나는지 궁금한 사람

컴퓨터 메모리 구조 레이아웃

1. JVM의 구조

java 소스코드를 작성하고 java 컴파일러를 통해 컴파일을 하면 .class 파일이 생성이 됨.
java 명령어로 class 파일을 실행하면, JVM은 class loader를 통해 이 클래스를 읽어들임.
클래스 파일 안에는 클래스 안에 어떤 필드가 몇 개 선언 되어있는지, 메서드는 몇 개이고 이름은 무엇인지, 바이트코드까지 포함한 클래스의 모든 정보를 담고 있음.
Class Loader System은 클래스 파일 정보를 Method Area 에 올리고, static 변수 등을 초기화 하는 역할을 함.
Runtime Data Area는 JVM이라는 가상 머신이 사용하는 메모리 공간
바이트코드란 JVM이 알아들을 수 있는 명령어들의 집합을 의미.
JVM의 목적은 바이트 코드를 기계어로 번역해서 CPU에게 일을 시킴.
바이트 코드를 기계어로 번역하는 일을 Interpreter가 실행함.

2. Runtime Data Area

Method Area
1. 클래스에 대한 모든 정보가 저장되는 영역
Heap
1. 런타임에 생성되는 모든 객체들이 저장됨.
2. GC가 동작하는 곳
JVM Stacks
1. 메서드를 실행하기 위한 정보들이 저장되는 공간
2. Frame 이라는 자료 구조가 존재.
3. Frame은 메서드가 하나 호출될 때 마다 새로 생기고, 메서드가 끝나거나 예외가 발생하면 사라진다.
PC Registers
1. 현재 실행되고 있는 명령어의 주소를 저장하는 곳.
2. 멀티스레드 프로그래밍 환경에서 한 스레드가 작업을 하다가 다른 스레드로 잠시 cpu 점유를 넘겨주고 다시 돌아왔을 때 이전 작업을 저장하기 위한 영역
Native Method Stacks
1. C나 C++로 작성된 메서드를 실행할 때 사용되는 스택

Method Area와 Heap 영역은 모든 스레드가 공유하는 영역이기 때문에 멀티 스레드 환경에서 동기화에 유의해야 함.
JVM Stacks, PC Registers, Native Method Stacks 는 스레드가 생성될 때 마다 새로 생기는 영역들로, 서로 다른 스레드 간 침범할 수 없음.
- 그래서 하나의 메서드 안에서 다른 메서드의 지역 변수의 동시성 문제를 걱정하지 않아도 됨.

3. JVM Stack

프레임 내에는 현재 클래스의 컨스턴트 풀에 대한 참조, 지역 변수 배열, Operand Stack이 있음.
지역 변수 배열은 메서드 내의 지역변수들을 담고 있는 배열.
인스턴스 메서드는 항상 제일 첫 번째 인덱스에 현재 인스턴스에 대한 참조를 가지고 있음.
Method A는 인스턴스 메서드이기 때문에 자기 자신에 대한 참조 this 를 갖고 있음.
Operand Stack
- jvm은 스택 기반으로 연산 수행
- 피연산값 혹은 연산의 중간값을 저장하기 위한 자료 구조

* 바이트코드

4. Method Area & Heap

*Constant pool (상수 풀)

클래스 내에 사용되는 상수들을 담은 테이블
8번 인덱스 처럼 참조하는 대상의 이름만을 String으로 지칭하는 것을 Symbolic Reference 라고 함. 이 값이 Crew 데이터의 값을 가리키는 포인트로 사용됨.
이게 Crew Class 를 Class Loader 를 통해 Method Area로 읽어오면서 Crew Class 를 가리키는 참조값을 변환됨.

*상수풀의 구성

Symbolic Reference
- Class References : 다른 클래스나 인터페이스 참조
- Filed References : 클래스 또는 인터페이스의 필드 참조
- Method References : 메소드 호출에 사용되는 참조
- Interface Method References : 인터페이스 내의 메소드 참조
- Name and Type Descriptors : 필드나 메소드의 이름과 그 타입을 저장
리터럴 값 (Literals)
- Numeric Literlas : int, float, long, double 과 같은 기본 타입의 숫자 값들
- String Literals : 직접적인 문자열 값. 자바 소스 코드 내의 문자열 상수에 해당하며, ldc 명령어를 통해 로드됨.

*상수풀의 역할

코드 최적화와 관리
- 클래스 파일 내에서 반복되는 정보의 중복 저장을 방지하고, 코드의 재사용과 최적화를 도와줌
실행 시 해석 (Resolving)
- 클래스 파일이 JVM에 로드될 때, 상수풀에 저장된 Symbolic References 는 Direct Reference로 Resolving 되어 JVM 이 실행할 수 있는 형태로 변환됨.

✔ Symbolic Reference

Symbolic Reference 란 ?
- 클래스, 인터페이스, 필드 또는 메서드를 포함하는 참조를 가리키는데 사용되는 개념
- 이름, 타입, 그리고 클래스 내에서의 스코프(ex: 클래스 이름) 등의 정보를 기반으로 식별되며, 실제 메모리 주소나 위치와는 독립적
- Java 컴파일 과정에서 생성되는 클래스 파일 내에서 해당 요소들이 어떻게 참조되는지를 나타냄.
- Java 소스 코드가 컴파일 될 때, 모든 클래스, 메서드, 필드의 참조는 초기에 Symbolic Reference로 표현됨.
- 식별자 라고 생각.
간단한 예시
- Crew 클래스에서 name 필드를 참조하려고 할 때, 컴파일된 코드에서는 Crew.name 이라는 Symbolic Reference를 사용. 클래스가 로드되고 해석(Resolution) 과정을 거쳐 JVM은 Crew 클래스의 실제 메모리 주소과 name 필드의 정확한 위치를 찾아내 Direct Reference 로 변환.

public class org.jvminternals.SimpleClass
	SourceFile: "SimpleClass.java"
	minor version: 0
	major version: 51
	flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
     	//상수풀!!! 이 부분을 보세요!
			Constant pool:
			   #1 = Methodref          #6.#17         //  java/lang/Object."<init>":()V
			   #2 = Fieldref           #18.#19        //  java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
			   #3 = String             #20            //  "Hello"
			   #4 = Methodref          #21.#22        //  java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
			   #5 = Class              #23            //  org/jvminternals/SimpleClass
			   #6 = Class              #24            //  java/lang/Object
			   #7 = Utf8               <init>
			   #8 = Utf8               ()V
			   #9 = Utf8               Code
			  #10 = Utf8               LineNumberTable
			  #11 = Utf8               LocalVariableTable
			  #12 = Utf8               this
			  #13 = Utf8               Lorg/jvminternals/SimpleClass;
			  #14 = Utf8               sayHello
			  #15 = Utf8               SourceFile
			  #16 = Utf8               SimpleClass.java
			  #17 = NameAndType        #7:#8          //  "<init>":()V
			  #18 = Class              #25            //  java/lang/System
			  #19 = NameAndType        #26:#27        //  out:Ljava/io/PrintStream;
			  #20 = Utf8               Hello
			  #21 = Class              #28            //  java/io/PrintStream
			  #22 = NameAndType        #29:#30        //  println:(Ljava/lang/String;)V
			  #23 = Utf8               org/jvminternals/SimpleClass
			  #24 = Utf8               java/lang/Object
			  #25 = Utf8               java/lang/System
			  #26 = Utf8               out
			  #27 = Utf8               Ljava/io/PrintStream;
			  #28 = Utf8               java/io/PrintStream
			  #29 = Utf8               println
			  #30 = Utf8               (Ljava/lang/String;)V
			{
			  public org.jvminternals.SimpleClass();
				Signature: ()V
				flags: ACC_PUBLIC
				Code:
				  stack=1, locals=1, args_size=1
					0: aload_0
					1: invokespecial #1    // Method java/lang/Object."<init>":()V
					4: return
				  LineNumberTable:
					line 3: 0
				  LocalVariableTable:
					Start  Length  Slot  Name   Signature
					  0      5      0    this   Lorg/jvminternals/SimpleClass;

			  public void sayHello();
				Signature: ()V
				flags: ACC_PUBLIC
				Code:
				  stack=2, locals=1, args_size=1
					0: getstatic      #2    // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
					3: ldc            #3    // String "Hello"
					5: invokevirtual  #4    // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
					8: return
				  LineNumberTable:
					line 6: 0
					line 7: 8
				  LocalVariableTable:
					Start  Length  Slot  Name   Signature
					  0      9      0    this   Lorg/jvminternals/SimpleClass;
			}

위의 경우에는 Constant Pool 의 인덱스를 통해 참조. (Symbolic Referece 임)

예를 들어 5: invokevirtual #4 명령어는 Constant Pool에서

#4 = Methodref          #21.#22 
↓ // Class.NameAndType → 
#21 = Class              #28            //  java/io/PrintStream
#22 = NameAndType        #29:#30        //  println:
↓ // java/io/PrintStream 클래스의 println 메서드에서 파라미터로 받은 String 출력, 그리고 Void. 
#28 = Utf8               java/io/PrintStream
#29 = Utf8               println
#30 = Utf8               (Ljava/lang/String;)V
    
// PrintStream.println(String)

위 순서로 찾아가게 됨.
결과적으로 #4의 Symbolic Reference는 참조하고 참조하고 참조하다가 Method를 실행하기 위한 println 메서드의 실제 실행 코드 주소로 변환됨.

어썸오의 JVM Memery Layout

JNI (JAVA Native Interface)

Maven 과 Gradle

Runtime Data Area의 구성

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JVM

JVM 추가 정리

1. GC와 관련하여 자바에서 내부 클래스를 선언할 때 static 으로 해야하는 이유

- 요약

✔ Java8 로 변하며 PermG 영역이 사라지고 MetaSpace가 생겼다

2. "Hello" 와 new String("Hello")은 각각 어느 메모리 영역에 저장되나요? 만약 그 둘이 다르면 왜 String를 저장하는 방법은 일반적인 참조형 객체를 저장하는 방법과 다른가요?

3. JVM은 단순히 자바 언어를 해석하기 위해 존재하는 것인데 자바 외의 언어로 작성된 코드를 위한 메모리 영역이 왜 존재하게 되는건가요?

📌 JNI (Java Native Interface)

4. 각각의 Area에 할당된 메모리 사이즈가 어떻게 될까요?

5. 컴파일과 빌드는 다른 것인가요? gradle이나 maven이 하는 역할을 말해주시고, jar 파일에 대해서 class와 비교하여 말씀해주세요

(1) 컴파일

(2) 빌드

(3) gradle과 maven

(4) JAR 와 `.class`

📍 어썸오의 JVM Memory Layout 테코톡 정리

📌 JVM 이란 ?

JVM Memory Layout

1. JVM의 구조

2. Runtime Data Area

3. JVM Stack

* 바이트코드

4. Method Area & Heap

*Constant pool (상수 풀)

*상수풀의 구성

*상수풀의 역할

✔ Symbolic Reference

Apache Kafka

OOP (Object-Oriented Programming)

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JVM

JVM 추가 정리

1. GC와 관련하여 자바에서 내부 클래스를 선언할 때 static 으로 해야하는 이유

- 요약

✔ Java8 로 변하며 PermG 영역이 사라지고 MetaSpace가 생겼다

2. "Hello" 와 new String("Hello")은 각각 어느 메모리 영역에 저장되나요? 만약 그 둘이 다르면 왜 String를 저장하는 방법은 일반적인 참조형 객체를 저장하는 방법과 다른가요?

3. JVM은 단순히 자바 언어를 해석하기 위해 존재하는 것인데 자바 외의 언어로 작성된 코드를 위한 메모리 영역이 왜 존재하게 되는건가요?

📌 JNI (Java Native Interface)

4. 각각의 Area에 할당된 메모리 사이즈가 어떻게 될까요?

5. 컴파일과 빌드는 다른 것인가요? gradle이나 maven이 하는 역할을 말해주시고, jar 파일에 대해서 class와 비교하여 말씀해주세요

(1) 컴파일

(2) 빌드

(3) gradle과 maven

(4) JAR 와 .class

📍 어썸오의 JVM Memory Layout 테코톡 정리

📌 JVM 이란 ?

JVM Memory Layout

1. JVM의 구조

2. Runtime Data Area

3. JVM Stack

* 바이트코드

4. Method Area & Heap

*Constant pool (상수 풀)

*상수풀의 구성

*상수풀의 역할

✔ Symbolic Reference

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