이전에 JVM, JRE, JDK의 개념에 대해서 알아보는 시간을 가졌다.이번엔 좀 더 자세히 JVM의 구조에 대해서 알아보도록 하자.
JDK, JRE, JVM의 개념
🧐JVM이 뭐였지?
JVM은 자바 가상 머신으로, 자바 바이트 코드를 각 운영체제에 맞는 기계로 바꾸어 실행하는 가상머신이다. 즉, 자바 바이트 코드(.class)를 해석하여 실행 시켜주는 머신인데, 대체 어떤 방법으로 자바 바이트 코드를 해석하고, 프로그램 실행까지 시키는지 알아보도록 하자.
✅JVM의 구성요소
JVM은 크게 5가지의 요소로 나누어진다.
1. 클래스 로더 (Class Loader)
2. 런타임 데이터 영역 (Runtime Data Area)
3. 실행 엔진 (Execution Engine)
4. JNI - 네이티브 인터페이스 (Java Native Interface)
5. 네이티브 메서드 라이브러리 (Native Method Libraries)
1️⃣클래스 로더(Class Loader)
클래스 로더는 JVM 안에서 클래스 파일(.class)을 동적으로 로드하고, JVM의 메모리 영역인 Runtime Data Area에 메모리를 할당하여 실행 가능한 상태로 만든다. 프로그램 실행 시 필요한 클래스만 동적으로 적재하여 메모리 사용을 최적화한다.
더 자세히 말하자면, 클래스 로더는 클래스의 로드(Load), 연결(Link), 초기화(Intialization) 과정을 통해 실행을 준비하게 된다.
즉, 클래스 로더 클래스 파일을 가져와 메모리에 로드하고, 클래스에 문제가 없는지 검증하고 변수를 적절한 값으로 초기화 하는 과정을 담당한다.
2️⃣런타임 데이터 영역(Runtime Data Area)
런타임 데이터 영역은 JVM이 실행하는 동안 데이터를 저장하는 메모리 영역이다.
1) 메서드 영역
- 바이트 코드를 처음 메모리 공간에 올릴 때 초기화되는 대상을 저장하기 위한 공간
- 정적 필드와 클래스 구조만을 가지고 있다.
- JVM 메모리의 정적 영역으로, 모든 스레드가 공유하는 메모리 공간
- JVM이 동작하고 클래스가 로드될 때 적재되어 프로그램이 종료될 때까지 저장됨
2) 힙 영역
- new 연산자로 생성되는 클래스, 인스턴스 변수, 배열 등 Reference Type이 저장되는 공간
- 가비지 컬렉터가 관리
- 모든 스레드가 공유하는 영역
3) 스택 영역
- int, long, boolean 등 기본 자료형 생성 시 저장하는 공간
- 각 스레드마다 독립적으로 할당되는 공간
- 메서드 호출시마다 프레임이 생성되어 지역 변수, 매개 변수 등이 저장됨
4) PC(Program Counter) 레지스터
- 각 스레드 별로 하나씩 존재
- 현재 실행중인 JVM 명령의 주소를 저장하는 공간
5) 네이티브 메서드 스택
- 실제 실행할 수 있는 기계어로 작성된 프로그램을 실행 시키는 영역
- 자바 의외의 네이티브 코드(C/C++) 실행 시 사용되는 메모리 영역이기도 함
3️⃣실행 엔진(Execution Engine)
실행 엔진은 클래스 로더를 통해 런타임 데이터 영역에 배치된 바이트 코드를 명령어 단위로 읽어서 실행한다. 자바 바이트 코드(.class)는 가상 머신이 이해할 수 있는 중간 레벨로 컴파일된 코드이다. 그래서 실행 엔진은 바이트 코드를 JVM내부에서 실제로 기계가 실행할 수 있는 형태로 바꿔준다.
이 때, 바이트 코드를 실행 시키는 방법은 크게 두가지로 분류 할 수 있다.
1) 인터프리터(Interpreter)
- 바이트 코드 명령어를 하나씩 읽어서 해석하고 바로 실행
- JVM안에서 바이트 코드는 기본적으로 인터프리터 방식으로 동작
- 같은 메소드라도 여러번 호출이 된다면 매번 해석하고 수행해야 되므로 전체적인 속도는 느림
2) JIT 컴파일러(Just-In-Time Compiler)
- 인터프리터의 단점(속도, 효율)을 보완하기 위해 도입한 방식
- 반복되는 코드를 런타임 중에 기계어로 컴파일하고 재사용하는 방식
- 한번 기계어로 컴파일하여 캐싱 한 코드를 실행하므로 속도가 비교적 빠름
두 방식의 장단점이 있기 때문에 어떤 방식을 사용할지는
컴파일 임계치라는것을 계산하여 결정한다. 메서드가 호출된 횟수와 메서드가 종료된 횟수를 통해 컴파일 임계치를 계산하고, 이를 초과하면 JIT 방식으로 기계어를 캐싱하게 된다.
3) 가비지 컬렉터
실행엔진에는 가비지 컬렉터도 포함되어 있다.
가비지 컬렉터는 자동으로 메모리를 관리해주는 JVM 기능으로, Heap 메모리 영역에서 더 이상 사용하지 않는 메모리를 자동으로 회수해 준다.
C언어 같은 경우는 직접 개발자가 메모리를 해제해줘야 하지만, JAVA는 이 가비지 컬렉터를 이용하여 자동으로 메모리를 실시간 최적화 시켜준다.
4️⃣네이티브 인터페이스(JNI)
JNI는 자바가 다른 언어로 만들어진 어플리케이션과 상호 작용할 수 있는 인터페이스를 제공하는 프로그램이다.
C, C++ 등으로 작성된 라이브러리를 실행할 때 주로 사용하며, JAVA를 통해 실행할 수 없는 하드웨어, OS의 기능에 접근할 수도 있다.
네이티브 메서드 라이브러리(Native Method Libraries)
네이티브 메서드 라이브러리는 C, C++로 작성된 라이브러리를 뜻한다.
만일 헤더가 필요하다면 JNI는 이 라이브러리를 로딩해 실행한다.
☑️다시보는 JVM 실행과정
1. 자바 프로그램을 실행하면 JVM은 OS로부터 메모리를 할당받는다.
2. 자바 컴파일러(javac)가 자바 소스코드(.java)를 자바 바이트 코드(.class)로 컴파일 한다.
3. 클래스 로더는 동적 로딩을 통해 필요한 클래스들을 로딩 및 링크하여 런타임 데이터 영역에 올린다.
4. 런타임 데이터 영역에 로딩된 바이트 코드는 실행 엔진을 통해 해석된다.
5. 이 과정에서 실행 엔진에 의해 가비지 컬렉터의 작동과 스레드 동기화가 이루어진다.
