Java Virtual Machine

1. JVM이란?

JVM이란 JAVA Virtual Machine(자바 가상 머신)의 약자이다.
JVM의 역할은 자바 애플리케이션을 클래스 로더를 통해 읽어 들여 자바 API와 함께 실행하는 것이다.

✔️ 클래스 로더 : .class에서 바이트 코드를 읽고 메모리에 저장하는 시스템. 로딩 -> 링크 -> 초기화 순서로 진행됨

• 로딩 : 클래스를 읽어오는 과정
• 링크 : 레퍼런스를 연결하는 과정
• 초기화 : static 값들 초기화 및 변수에 할당

1) 자바 바이트 코드를 OS에 특화된 코드로 변환하여 실행해줌 -> 즉 JVM 위에서 동작하기 위해서는 자바 바이트 코드가 필요함
    ✔️ 자바 바이트 코드 : 개발자에 의해서 작성된 자바 코드를 자바 컴파일러로 변환 된 코드
    ✔️ JAVA가 OS에 구애받지 않고 재사용을 가능하게 해줌

2) 메모리 관리, Garbage collection을 수행한다.
3) 스택 기반의 가상머신이다.
    ARM 같은 하드웨어는 레지스터 기반으로 동작하지만 JVM은 스택기반으로 동작함

왜 자바 가상머신을 알아야 하는가?

한정된 메모리를 효율적으로 사용하여 최고의 성능을 내기 위해서!

✅ 자바 프로그램 실행 과정

1. 프로그램이 실행되면 JVM은 OS로부터 이 프로그램이 필요로 하는 메모리를 할당받고 JVM은 이 메모리를 용도에 따라 여러 영역으로 나누어 관리한다.

• 메소드 영역 : 클래스 수준의 정보를 저장 (클래스 이름, 부모 클래스 이름, 메소드 이름, 변수)

• 힙 영역 : 객체를 저장, 공유하는 자원

• 스택 영역 : 스레드마다 런타임 스택을 만들고, 그 안에 메소드 호출을 스택 프레임이라 부르는 블록을 쌓는 곳으로 지역 변수, 파라미터, 리턴 값, 연산에 사용되는 임시 값 등이 생성되는 영역 / 스레드가 종료되면 런타임 스택도 함께 사라짐

  아래의 예시에서 new Person()으로 생성된 인스턴스는 힙 영역에 저장, 힙 영역에 저장된 주소 값을 가지고 있는 P라는 지역 변수는 Stack 영역에 저장

class Person {
    String name;
}
 
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
                    Person p = new Person();
          String name = "dewgang";
          p.name = name;
        }
}

2. 자바 컴파일러(javac)가 자바 소스코드 (.java)를 읽어들여 자바 바이트코드(.class)로 변환시킨다.
3. Class Loader를 통해 class 파일들을 JVM으로 로딩한다.
4. 로딩된 class 파일들은 Execution engine을 통해 해석된다.
5. 해석된 바이트코드는 Runtime Data Areas에 배치되어 실질적인 수행이 이루어지게 된다.

이러한 과정 속에서 JVM은 필요에 따라 Thread Synchronization과 GC같은 관리 작업을 수행

✅ JVM 구성

1. Class loader (클래스 로더)

• Runtime 시에 동적으로 클래스를 로드한다.
• jar파일 내 저장된 클래스들을 JVM 위에 탑재하고 사용하지 않는 클래스들은 메모리에서 삭제한다. -> 컴파일러 역할
• 자바는 동적 코드, 컴파일 타임이 아니라 런타임에 참조한다. 즉 클래스를 처음으로 참조할 때 해당 클래스를 로드하고 링크하는 것 그리고 그 역할을 클래스 로더가 수행

2. Execution Engine(실행 엔진)

• 클래스를 실행시키는 역할
• 클래스 로더가 JVM 내의 런타임 데이터 영역에 바이트 코드를 배치시키면 실행엔진에 의해 실행됨
• 자바 바이트코드는 기계가 바로 수행할 수 있는 언어는 아니라서 JVM 내부에서 기계가 실행할 수 있는 형태로 변경
  • 인터프리터 : 한 줄씩 수행 -> 느림
  • JIT(Just - In - Time) : 인터프리터 방식으로 실행하다가 적절한 시점에 바이트코드 전체를 컴파일하여 네이티브 코드로 변경 후, 더 이상 인터프리팅 하지 않고 네이티브 코드로 직접 실행하는 방식. 네이티브 코드는 캐시에 보관하기 때문에 한 번 컴파일된 코드는 빠르게 수행 가능 JIT 컴파일러를 사용하는 JVM은 내부적으로 해당 메소드가 얼마나 자주 수행되는지 체크하고 일정 정도를 넘을 때만 컴파일

3. Garbage Collector
GC를 수행하는 모듈(스레드)이 있다.

✅ Runtime Data Area

프로그램을 수행하기 위해 OS에서 할당 받은 메모리 공간

1. PC Register
스레드가 시작될 때 생성되며 생성될 때마다 생성되는 공간으로 스레드마다 하나씩 존재한다.
스레드가 어떤 부분을 어떤 명령으로 실행해야할 지에 대한 기록을 하는 부분으로 현재 수행 중인 JVM 명령의 주소를 갖는다.

2. JVM 스택 영역
프로그램 실행 과정에서 임시로 할당되었다가 메소드를 빠져나가면 바로 소멸되는 특성의 데이터를 저장하기 위한 영역이다.
메소드 호출 시마다 각각의 스택 프레임(그 메소드만을 위한 공간)이 생성된다. 메소드 안에서 사용되는 값들을 저장하고, 호출된 메소드의 매개변수, 지역변수, 리턴 값 및 연산 시 일어나는 값들을 임시로 저장한다.
메소드 수행이 끝나면 프레임 별로 삭제를 함

3. Native method stack
자바 프로그램이 컴파일되어 생성되는 바이트 코드가 아닌 실제 실행할 수 있는 기계어로 작성된 프로그램을 실행시키는 영역이다.자바가 아닌 다른 언어로 작성된 코드를 위한 공간
JAVA Native Interface를 통해 바이트 코드로 전환하여 저장하게 됨. 일반 프로그램처럼 커널이 스택을 잡아 독자적으로 프로그램을 실행시키는 영역

4. Method Area(= Class area, Static area)
클래스 정보를 처음 메모리 공간에 올릴 때 초기화되는 대상을 저장하기 위한 메모리 공간
올라가게 되는 메소드의 바이트 코드는 프로그램의 흐름을 구성하는 바이트 코드이다.
💡 왜 ?
자바 프로그램은 main 메소드의 호출에서부터 계속된 메소드의 호출로 흐름을 이어가기 떄문
사실상 컴파일 된 바이트코드의 대부분이 메소드 바이트코드라서 거의 모든 바이트코드가 올라간다고 봐도 상관없음
Runtime Constant Pool 이라는 별도의 관리 영역도 함께 존재 : 상수 자료형을 저장하여 참조하고 중복을 막는 역할 수행
5. Heap (힙 영역)
객체를 저장하는 가상 메모리 공간임. new 연산자로 생성된 객체와 배열을 저장한다.
class area 영역에 올라온 클래스만 객체로 생성할 수 있다.

1) Permanent Generation
생성된 객체들의 정보의 주소값이 저장된 공간이다. Class loader에 의해 로드되는 Class, Method 등에 대한 메타 정보가 저장되는 영역이고 JVM에 의해 사용된다.
Reflection을 사용하여 동적으로 클래스가 로딩되는 경우에 사용된다. -> 내부적으로 Reflection 기능을 자주 사용하는 Spring Framework를 이용할 경우 이 영역에 대한 고려가 필요하다.

2) New/Young 영역

• Eden : 객체들이 최초로 생성되는 공간
• Survivor 0/1 : Eden에서 참조되는 객체들이 저장되는 공간

3) Old 영역
New area에서 일정 시간 참조되고 있는, 살아남은 객체들이 저장되는 공간
Eden 영역에 객체가 가득차게 되면 첫번째 GC가 발생한다. Eden 영역에 있는 값들을 Survivor 1 영역에 복사하고 이 영역을 제외한 나머지 영역의 객체를 삭제한다.

인스턴스는 소멸방법과 소멸시점이 지역 변수와는 다르기에 힙이라는 별도의 영역에 할당된다.
자바 가상 머신은 매우 합리적으로 인스턴스를 소멸시킴 -> 더이상 인스턴스의 존재 이유가 없을 때

출처 :
https://asfirstalways.tistory.com/158
https://nathanh.tistory.com/122