JVM(자바 가상 머신)은 자바 언어에서만 사용하는 것이 아니다. 코틀린, 스칼라 언어에서도JVM 동작 방식을 그대로 따른다.
JVM(자바 가상 머신) 실행 부분은 빨간 박스를 친 부분인, 컴파일된 .class 파일을 어떠한 처리를 거쳐 프로그램을 실행하는 과정이다.
자바 가상 머신(JVM)의 동작 방식
- JVM의 역할은 자바 어플리케이션을 클래스 로더를 통해 읽어 자바 API와 함꼐 실행하는 것이다.
다음은 자바 소스 파일을 어떤 동작으로 코드를 읽는지에 대한 간단한 요약 도식이다.
- 자바 프로그램을 실행하면 JVM은 OS로부터 메모리를 할당받는다.
- 자바 컴파일러(.javac)가 자바 소스코드(.java)를 자바 바이트 코드(.class)로 컴파일 한다.
- class Loader는 동적 로딩을 통해 필요한 클래스들을 로딩 및 링크하여 Runtime Data Area(실질적인 메모리를 할당 받아 관리하는 영역)에 올린다.
- Runtime Data Area에 로딩 된 바이트 코드는 Execution Engine을 통해 해석된다.
- 이 과정에서 Execution Engine에 의해 Garbage Collector의 작동과 Thread 동기화가 이루어진다.
자바 가상 머신(JVM)의 구조
다음은 위에서 다뤄본 JVM 동작 과정 중 Class Loader <--> Execution Engine <--> Runtime Data Area 부분을 좀 더 상세화 한 도식이다.
JVM은 아래와 같이 구성되어 있다.
- 클래스 로더(Class Loader)
- 실행 엔진(Execution Engine)
- 인터프리터 (Interpreter)
- JIT 컴파일러(Just-in-Time)
- 가비지 컬렉터(Garbage collector)
- 런타임 데이터 영역(Runtime Data Area)
- 메소드 영역 / 클래스 영역
- 힙 영역
- PC Register
- 스택 영역
- 네이티브 메소드
- JNI : 네이티브 메소드 인터페이스(Native Method Interface)
- 네이티브 메소드 라이브러리(Native Method Library)
실행 엔진(Execution Engine)
가비지 컬렉터(Garbage Collector)
자바 가상 머신은 가비지 컬렉터(Garbage collector)를 이용하여 Heap 메모리 영역에서 더는 사용하지 않는 메모리를 자동으로 회수해준다.
C언어 같은 경우 직접 개발자가 메모리를 해제해줘야 되지만, JAVA는 이 가비지 컬렉터를 이용해 자동으로 메모리를 실시간 최적화 시켜준다. 따라서 개발자가 따로 메모리를 관리하지 않아도 되므로, 더욱 손쉽게 프로그래밍을 할 수 있도록 해준다.
일반적으로 자동으로 실행되지만, GC(가비지 컬렉터)가 실행되는 시간은 정해져 있지 않다.
특히 Full GC가 발생하는 경우, GC를 제외한 모든 스레드가 중지되기 때문에 장애가 발생할 수 있다.
런타임 영역 (Runtime Data Area)
런타임 데이터 영역은 쉽게 말하면 JVM의 메모리 영역으로 자바 애플리케이션을 실행할 때 사용되는 데이터들을 적재하는 영역이다.
런타임 데이터 영역은 Method Area, Heap Area, Stack Area, PC Register, Native Method Stack으로 나눌 수 있다.
이때 Method Area, Heap Area 는 모든 쓰레드(Thread)가 공유하는 영역이고, 나머지 Stack Area, PC Register, Native Method Stack 은 각 쓰레드 마다 생성되는 개별 영역이다.
메서드 영역(Method Area)
메서드 영역은 JVM이 시작될 때 생성하는 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 저장 된다.
->간단히 말하자면 메서드 영역에는 정적 필드(static)와 클래스 구조만을 갖고 있다고 할 수 있다.
힙 영역(Heap Area)
힙 영역은 메서드 영역과 함께 모든 쓰레드가 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.
유의할 점은 힙 영역에 생성된 객체와 배열은 Reference Type으로써, JVM 스택 영역의 변수나 다른 객체의 필드에서 참조된다는 점이다.
즉, 힙의 참조 주소는 "스택"이 갖고 있고 해당 객체를 통해서만 힙 영역에 있는 인스턴스를 핸들링할 수 있는 것이다.
만일 참조하는 변수나 필드가 없다면 의미 없는 객체가 되기 때문에 이것을 쓰레기로 취급하고 JVM은 쓰레기 수집기인 Garbage Collector를 실행시켜 쓰레기 객체를 힙 영역에서 자동으로 제거된다.
스택 영역(Stack Area)
스택 영역은 int, long, boolean 등 기본 자료형을 생성할 때 저장하는 공간으로, 임시적으로 사용되는 변수나 정보들이 저장되는 영역이다.
단, 데이터의 타입에 따라 스택(stack)과 힙(heap)에 저장되는 방식이 다르다는 점은 유의해야한다.
- Primitive type 변수는 스택 영역에 직접 값을 가진다.
- Reference type 변수는 힙 영역이나 메소드 영역의 객체 주소를 가진다.
Ex) 예를 들어 Person p = new Person();와 같이 클래스를 생성한 경우, new에 의해 생성된 클래스는 Heap Area에 저장되고, Stack Area에는 클래스의 참조인 p만 저장된다.
스택 영역은 각 스레드마다 하나씩 존재하며, 스레드가 시작될 때 할당된다.
프로세스가 메모리에 로드 될 때 스택 사이즈가 고정되어 있어, 런타임 시에 스택 사이즈를 바꿀 수는 없다.
만일 고정된 크기의 JVM 스택에서 프로그램 실행 중 메모리 크기가 충분하지 않다면 StackOverFlowError가 발생하게 된다.
쓰레드를 종료하면 런타임 스택도 사라진다.
나머지 내용은 추후 수정 예정
