✨ JVM

📌 JVM 이란 ?

• Java Virtual Machine
• Java Byte Code 를 운영체제에 맞게 해석해주는 역할
• 작성한 자바 프로그램의 실행 환경을 제공하는 자바 프로그램의 구동 엔진

• Java compiler 는 .java 파일을 .class 라는 자바 바이트코드로 변환시켜준다. 하지만 바이트 코드는 기계어 (Native Code)가 아니므로 OS 에서 바로 실행이 되지 않는데, 이 때 JVM 은 OS가 Byte Code 를 이해할 수 있도록 해석해주는 역할을 담당한다.
• JVM을 사용하면 하나의 바이트코드로 모든 플랫폼에서 동작하도록 할 수 있다.
• JVM은 메모리 관리 도 담당한다. 이를 가비지 컬렉터 (GC) 라고 한다.
• 가비지 컬렉터는 Java7부터 힙 영역의 객체들을 관리하는 역할을 담당한다.

📌 JVM의 메모리 구조

• 응용 프로그램이 실행되면, JVM은 시스템으로부터 프로그램을 수행하는데 필요한 메모리를 할당받고 JVM은 이 메모리를 용도에 따라 여러 영역으로 나눈다.

1. Class Loader

• java에서 소스를 작성하면 .java파일이 생성되며, 이 소스를 컴파일하면 .class파일이 생성된다.
• 이렇게 생성된 .class파일들을 엮어서 JVM이 운영체제로 할당 받은 메모리 영역인 Runtime Data Area로 적재(Loading) 한다.

2. Excution Engine

• 메모리에 적재된 클래스 (ByteCode) 들을 기계어 (BinaryCode)로 변경하여 명령어 단위로 실행하는 역할을 한다.
• 인터프리터 (Interpreter) 방식과 JIT (Just-In-Time) 컴파일러를 사용하는 두 가지 방식이 있다.
• Interpreter : 명령어를 하나씩 실행하는 대화형식 컴파일. 파이썬이 대표적인 인터프리터 언어.
• JIT (Just-In-Time) Compiler : 적절한 시간에 전체 바이트 코드를 네이티브 코드(직접 CPU에서 동작할 수 있는 코드)로 변경해서 실행하므로 성능이 인터프리터보다 속도 면에서 좋다.
  • 기존의 인터프리터 방식의 문제점을 보완한 것
  • 바이트코드를 Native Code로 변환하는 데에도 비용이 소요 (JVM 을 처음 구동을 하게 되면, 수천 개의 메소드가 호출이 됨) 되므로, JVM은 모든 코드를 JIT 컴파일러 방식으로 실행하는 것이 아니라, 인터프리터 방식으로 사용하다가 일정 기준이 넘어가면 JIT 컴파일 방식으로 명령어를 실행
  • 같은 코드를 매번 해석하는 것이 아닌, 실행할 때에 컴파일을 하면서 해당 코드를 캐싱한다는 장점
  • 이후에는 변경이 된 부분만 컴파일을 하고, 나머지는 캐싱된 코드 사용.

3. Garbage Collector

• Heap 메모리 영역에 적재된 객체들 중 참조되지 않은 객체들을 탐색 (어플리케이션이 생성한 객체의 생존 여부) 후 제거하는 역할을 한다.
• GC가 역할을 수행하는 시간을 정확이 언제인지 알 수 없음.
• GC가 수행되는 동안 GC를 수행하는 스레드가 아닌 다른 모든 스레드가 일시 정지된다.

4. Runtime Data Area

• JVM 의 메모리 영역으로 자바 어플리케이션을 실행할 때 사용되는 데이터들을 적재하는 영역
• Method Area, Heap Area, Stack Area, PC Register, Native Method Stack 으로 나눌 수 있다.

📌 Runtime Data Area 영역 분류

1. Method Area (메소드 영역)

• 클래스 멤버 변수의 이름, 데이터 타입, 접근 제어자 정보 같은 field 정보들과 메소드의 이름, return 타입, 파라미터, 접근 제어자 정보 같은 method 정보들, type 정보, Constant Pool, static 변수, final class 변수 등이 생성되는 영역

2. Stack Area (스택 영역)

• 지역변수, 파라미터, 리턴 값, 연산에 사용되는 임시 값, 메서드 호출 등 임시적인 데이터들이 생성되는 영역
• 정적 메모리 할당이 이루어지는 장소로 Heap 영역에 동적 할당된 값에 대한 참조를 얻을 수 있다.
• Person p = new Person();
• 위 코드에서 Person P 는 Stack 영역, new Persion(); 은 Heap 영역에 할당.

3. PC Register

• 쓰레드가 생성될 때마다 생성되는 영역으로 스레드마다 하나씩 존재한다.
• 현재 쓰레드가 실행되는 부분의 주소와 명령을 저장하고 있는 영역

4. Native Method Stack

• 자바 외의 언어로 작성된 Native 코드를 위한 메모리 영역
• 보통 C/C++ 등의 코드를 수행하기 위한 Stack

5. MetaSpace

• 어플리케이션의 클래스나 메서드 정보, 또는 static 으로 정의된 멤버 변수가 저장된 영역
• 이전 버전의 Permanent 영역에 해당

6. Code Cache

• JIT (Just-In-Time) 컴파일러가 데이터를 저장하는 영역
• 자주 접근하는 '컴파일된 코드 블록' 이 저장됨
• 이곳에 저장된 코드는 기계어로 이미 변환된 채 Cache 되어 있어 빠르게 실행할 수 있다.

7. Shared Library

• 어플리케이션에서 사용할 공유 라이브러리가 기계어로 변환된 채 저장된 영역
• 해당 OS에서 프로세스당 한 번씩 로드된다.

📌 JVM의 힙 영역

📚 New/Young Generation

• 새로 생성된 객체를 저장한다.

  • 객체가 힙에 최초로 할당이 되는 장소이다.

  • Oracle JVM 에서는 새로 생성되었거나, 생성된 지 얼마 되지 않은 객체는 Eden 영역에 저장이 된다. Eden 영역에 일정 수준 이상으로 사용률을 보이면 GC가 발생하여 객체의 참조 여부를 따져 참조가 되어 있는 사용중인 객체라면 Survivor 영역으로 이동하고, 참조가 끊어진 Garbage 객체라면 남겨놓은 후, 사용중인 객체들이 모두 Survivor 영역으로 넘어가면 Eden 영역을 모두 청소한다.

  • Young Generation 의 Survivor 영역은 Eden 영역에서 청소되지 않은 객체들이 할당받은 공간.

    두 개로 구성이 되며, Minor GC 라고 부른다.

    • 두 개로 구성이 되는 이유 ?
      • 하나의 Survivor 영역이 차게 되면, 다른 영역으로 복사가 된다. 이 때 Eden 영역에 있던 살아남은 객체들은 다른 Survivor 객체로 넘어가게 된다. 즉, 둘 중 하나는 반드시 비어있어야 한다.

[ Minor GC : New 영역에서 일어나는 GC ]

1. 최초로 객체가 생성되면 Eden 영역에 생성된다.
2. Eden 영역에 객체가 가득 차면 첫 번째 GC가 일어난다.
3. survivor1 영역에 Eden 영역의 메모리를 그대로 복사하고, 해당 영역을 제외한 다른 영역의 객체를 모두 제거한다.
4. Eden 영역의 메모리도 가득 차고 survivor1 영역의 메모리도 가득 차게 되면, Eden 영역에 생성된 객체와 survivor1 영역에 생성된 개체 중 참조되고 있는 객체가 있는 지를 검사한다.
5. 참조되고 있지 않은 객체를 제외한 참조되고 있는 객체만 survivor2 영역에 복사한다.
6. survivor2 영역을 제외한 다른 영역의 객체들을 제거한다.
7. 위의 과정 중 일정 횟수 이상 참조되고 있는 객체들을 survivor2 영역에서 Old 영역으로 이동시킨다.

📚 Old Generation

• 만들어진지 오래된 객체를 저장한다.
  • Survivor 영역에서 살아있는 객체로 오래 남아 있던 객체는 Old Generation 으로 이동하게 된다.
  • 특정 횟수 이상 참조가 되어 기준 Age를 초과한 객체를 의미
  • 어떻게 설정을 하였느냐에 따라 다르지만, 오래 생성되어 있어야 하는 객체는 GC를 거치면서 Old 영역으로 이동을 하게 된다.
  • 즉, 비교적 오랫동안 참조가 되어 이용되고 있고 앞으로도 지속적으로 사용할 확률이 높은 객체들을 저장하는 영역
  • Old Generation의 메모리도 충분하지 않으면, 해당 영역에도 GC가 발생하는데 이를 Full GC (Major GC)라고 한다.

[ Major GC (Full GC) : Old 영역에서 일어나는 GC ]

1. Old 영역에 있는 모든 객체들을 검사하며 참조되고 있는지 확인한다.
2. 참조되지 않은 객체들을 모아 한 번에 제거한다.
   (이 때 Minor GC보다 시간이 많이 걸리고 실행 중 GC를 제외한 모든 쓰레드는 중지된다.)
   Major GC가 일어나게 되면 Old 영역에 있는 참조가 없는 객체들을 표시하고 그 해당 객체들을 모두 제거하게 된다.
   그 후 Heap 영역은 빈 공간이 생기는데 이 부분을 없애기 위해 재구성을 시행한다. 이 때 메모리를 옮기는데 다른 쓰레드가 메모리를 사용해버리면 안되므로 모든 쓰레드가 정지하게 되는 것이다.

📌 Java 의 컴파일과 실행 과정

빌드 시,

1. 자바 소스 파일 .java 을 작성한다.
2. 자바 컴파일러 javac.exe를 이용하여 자바 소스 파일 .java을 컴파일 한다. 이 때 나오는 파일은 자바 바이트 코드 .class 파일로 아직 컴퓨터가 읽을 수 없으며, JVM 이 이해할 수 있는 중간 단계의 코드이다.

런타임 시,

1. 바이트 코드를 JVM의 클래스 로더 (Class Loader) 에게 전달한다.
2. 클래스 로더는 동적 로딩 (Dynamic Loading)을 통해 필요한 클래스들을 로딩 및 링크하여 런타임 데이터 영역 (Runtime Data Areas), 즉 JVM의 메모리에 올린다.
3. 실행 엔진 (Execution Engine)은 JVM 메모리에 올라온 바이트 코드들을 JVM 내부에서 기계가 실행할 수 있는 형태로 변경한다.
   • 인터프리터 (Java Interpreter)
   • JIT 컴파일러 (Just-In-Time Compiler)

📌 참고

https://velog.io/@dyunge_100/JAVA-JVM%EC%9D%98-%EB%A9%94%EB%AA%A8%EB%A6%AC-%EA%B5%AC%EC%A1%B0-%EB%B0%8F-%EB%8F%99%EC%9E%91-%EC%9B%90%EB%A6%AC

https://velog.io/@pearl0725/JVM%EC%9D%80-%EC%96%B4%EB%96%A4-%EC%97%AD%ED%95%A0%EC%9D%84-%ED%95%A0%EA%B9%8C

https://velog.io/@agugu95/%EC%9E%90%EB%B0%94%EC%99%80-JVM-%EA%B7%B8%EB%A6%AC%EA%B3%A0-%EB%A9%94%EB%AA%A8%EB%A6%AC-%EA%B5%AC%EC%A1%B0