"Write Once, Run Anywhere" - Java의 이 철학을 가능하게 하는 것이 바로 JVM(Java Virtual Machine)입니다. 오늘은 Java 개발자라면 반드시 알아야 할 JVM의 동작 원리와 내부 구조를 자세히 알아보겠습니다.
🤔 JVM이란 무엇인가?
JVM(Java Virtual Machine)은 Java 프로그램이 실행되는 가상 머신입니다. 물리적인 컴퓨터가 아닌 소프트웨어로 구현된 가상의 컴퓨터로, Java 바이트코드를 해석하고 실행하는 역할을 담당합니다.
JVM의 핵심 역할
- 플랫폼 독립성: 운영체제에 상관없이 Java 프로그램 실행
- 메모리 관리: 자동 메모리 할당 및 가비지 컬렉션
- 보안: 샌드박스 환경에서 안전한 코드 실행
- 최적화: JIT 컴파일러를 통한 성능 향상
🔄 JVM의 전체 동작 과정
JVM이 Java 프로그램을 실행하는 과정을 단계별로 살펴보겠습니다.
Java 소스코드(.java)
↓ [javac 컴파일러]
바이트코드(.class)
↓ [클래스 로더]
런타임 데이터 영역
↓ [실행 엔진]
기계어 실행1단계: 컴파일 과정
// HelloWorld.java
public class HelloWorld {
public static void main(String[] args) {
System.out.println("안녕하세요, JVM!");
}
}javac 컴파일러가 위의 Java 소스코드를 바이트코드로 변환:
javac HelloWorld.java # → HelloWorld.class 생성2단계: JVM 실행 과정
- 메모리 할당: JVM이 운영체제로부터 메모리를 할당받습니다
- 클래스 로딩: 필요한 클래스 파일들을 메모리에 로드
- 바이트코드 실행: 실행 엔진이 바이트코드를 해석하여 실행
- 메모리 관리: 가비지 컬렉터가 불필요한 메모리를 정리
🏗️ JVM의 내부 구조
JVM은 크게 다음과 같은 구성 요소로 이루어져 있습니다:
📚 클래스 로더 시스템 (Class Loader)
클래스 로더는 .class 파일을 JVM 메모리에 로드하는 핵심 컴포넌트입니다.
클래스 로더의 3단계 프로세스
1️⃣ Loading (로딩)
- 클래스 파일을 찾아서 JVM 메모리에 로드
- 바이너리 데이터를 메모리에 저장
// 예시: 클래스가 처음 사용될 때 로딩됨
public class Example {
public static void main(String[] args) {
// 이 시점에서 User 클래스가 로딩됨
User user = new User();
}
}2️⃣ Linking (링킹)
링킹은 3개의 하위 단계로 구성됩니다:
a) Verification (검증)
- 바이트코드가 JVM 명세에 맞는지 검증
- 보안과 안전성을 위한 필수 과정
b) Preparation (준비)
- 클래스의 static 변수를 위한 메모리 할당
- 기본값으로 초기화
public class StaticExample {
static int number; // 준비 단계에서 0으로 초기화
static String text; // 준비 단계에서 null로 초기화
static final int CONSTANT = 100; // 컴파일 타임에 이미 값이 결정됨
}c) Resolution (해석)
- 심볼릭 참조를 실제 메모리 참조로 변환
3️⃣ Initialization (초기화)
- static 변수를 실제 값으로 초기화
- static 블록 실행
public class InitializationExample {
static int count = 10; // 초기화 단계에서 10으로 설정
static {
System.out.println("static 블록 실행");
count = 20; // 초기화 단계에서 실행
}
}클래스 로더의 계층 구조
Bootstrap Class Loader (최상위)
↓
Extension Class Loader
↓
Application Class Loader (기본)
↓
Custom Class Loader (사용자 정의)Bootstrap Class Loader
java.lang.*,java.util.*등 핵심 Java API 로드- C/C++로 구현됨
Extension Class Loader
- 확장 라이브러리 로드 (
$JAVA_HOME/lib/ext)
Application Class Loader
- 애플리케이션 클래스패스의 클래스들 로드
- 우리가 작성한 대부분의 클래스가 여기서 로드됨
⚙️ 실행 엔진 (Execution Engine)
실행 엔진은 클래스 로더가 메모리에 적재한 바이트코드를 실제로 실행하는 컴포넌트입니다.
바이트코드란?
바이트코드는 JVM이 이해할 수 있는 중간 언어입니다:
// Java 소스코드
public int add(int a, int b) {
return a + b;
}// 컴파일된 바이트코드 (javap -c 명령어로 확인 가능)
public int add(int, int);
Code:
0: iload_1 // 첫 번째 매개변수를 스택에 로드
1: iload_2 // 두 번째 매개변수를 스택에 로드
2: iadd // 두 값을 더함
3: ireturn // 결과 반환실행 방식: 인터프리터 vs JIT 컴파일러
🐌 인터프리터 (Interpreter)
- 바이트코드를 한 줄씩 해석하여 실행
- 초기 실행 속도는 빠르지만, 반복 실행 시 비효율적
public class InterpreterExample {
public static void main(String[] args) {
// 이 루프는 처음에는 인터프리터로 실행됨
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
calculateSomething(i);
}
}
static int calculateSomething(int x) {
return x * x + 2 * x + 1;
}
}🚀 JIT 컴파일러 (Just-In-Time Compiler)
- 자주 실행되는 코드를 네이티브 코드로 컴파일
- 한 번 컴파일 후에는 매우 빠른 실행 속도
JIT 컴파일러의 최적화 과정:
- Hot Spot 감지: 자주 실행되는 메서드나 루프 탐지
- 컴파일: 해당 부분을 네이티브 코드로 컴파일
- 캐싱: 컴파일된 코드를 메모리에 저장
- 직접 실행: 이후 호출 시 네이티브 코드로 직접 실행
public class JITExample {
public static void main(String[] args) {
// 이 메서드가 충분히 많이 호출되면 JIT 컴파일 대상이 됨
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
heavyCalculation(i); // Hot Spot으로 감지될 가능성
}
}
static long heavyCalculation(int n) {
long result = 0;
for (int i = 0; i < n; i++) {
result += i * i;
}
return result;
}
}JIT 컴파일러의 종류
C1 컴파일러 (Client 컴파일러)
- 빠른 컴파일 시간
- 기본적인 최적화 수행
C2 컴파일러 (Server 컴파일러)
- 느린 컴파일 시간
- 고급 최적화 수행 (인라이닝, 루프 최적화 등)
Tiered Compilation (계층 컴파일)
- C1과 C2를 조합하여 사용
- 초기에는 C1으로 빠르게 컴파일, 나중에 C2로 재컴파일
🧹 가비지 컬렉터 (Garbage Collector)
가비지 컬렉터는 더 이상 사용되지 않는 객체를 자동으로 메모리에서 제거하는 JVM의 핵심 기능입니다.
가비지 컬렉션이 필요한 이유
public class GCExample {
public static void main(String[] args) {
for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
// 매 반복마다 새로운 String 객체 생성
String temp = new String("임시 문자열 " + i);
// temp는 루프가 끝나면 더 이상 참조되지 않음 → GC 대상
}
// 이 시점에서 GC가 작동하여 불필요한 String 객체들을 정리
}
}GC의 기본 원리
Mark and Sweep 알고리즘
1. Mark: 사용 중인 객체들을 마킹
2. Sweep: 마킹되지 않은 객체들을 메모리에서 제거
3. Compact: 메모리 조각화 해결을 위한 압축 (선택적)
참조 계산 vs 도달 가능성
public class ReferenceExample {
public static void main(String[] args) {
// obj1과 obj2는 서로 참조 (순환 참조)
CircularRef obj1 = new CircularRef();
CircularRef obj2 = new CircularRef();
obj1.ref = obj2;
obj2.ref = obj1;
// 지역 변수를 null로 설정
obj1 = null;
obj2 = null;
// 순환 참조가 있지만, GC Root에서 도달할 수 없으므로 GC 대상
}
}
class CircularRef {
CircularRef ref;
}GC Root 객체들:
- Stack 영역의 지역 변수
- Method Area의 static 변수
- JNI에서 생성한 객체
🎯 JVM 최적화 팁
1. 적절한 힙 크기 설정
# 힙 크기 설정 예시
java -Xms512m -Xmx2g MyApplication
# -Xms: 초기 힙 크기
# -Xmx: 최대 힙 크기2. GC 로그 활성화
# GC 로그 설정 (Java 8)
java -Xloggc:gc.log -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCTimeStamps MyApp
# GC 로그 설정 (Java 11+)
java -Xlog:gc*:gc.log:time MyApp3. 메서드 최적화를 위한 팁
public class OptimizationTips {
// ✅ 좋은 예: 메서드가 자주 호출되어 JIT 최적화 대상
public static int fastCalculation(int x) {
return x * x + 2 * x + 1; // 간단한 연산
}
// ❌ 나쁜 예: 너무 큰 메서드는 JIT 최적화가 어려움
public static void hugeMothod() {
// 수백 줄의 코드...
// JIT 컴파일러가 최적화하기 어려움
}
// ✅ 좋은 예: final 메서드는 인라이닝 최적화 가능
public final int inlineableMethod(int x) {
return x + 1;
}
}🔍 다음 편 미리보기
1편에서는 JVM의 전체적인 동작 과정과 클래스 로더, 실행 엔진, 가비지 컬렉터의 기본 개념을 다뤘습니다.
2편에서 다룰 내용:
- 📚 런타임 데이터 영역 상세 분석
- Method Area, Heap, Stack, PC Register 심화 학습
- 각 영역의 메모리 구조와 데이터 저장 방식
- 🧠 메모리 관리 실전 가이드
- 힙 메모리의 Young Generation, Old Generation
- 다양한 GC 알고리즘과 성능 튜닝
- 🔧 JVM 모니터링과 성능 분석
- 메모리 누수 탐지 방법
- 실제 운영 환경에서의 JVM 튜닝 사례
💡 마무리
JVM의 동작 원리를 이해하면 Java 애플리케이션의 성능 문제를 진단하고 해결하는 데 큰 도움이 됩니다. 특히 메모리 사용량이 많은 애플리케이션이나 고성능이 요구되는 시스템을 개발할 때 JVM에 대한 깊은 이해는 필수입니다.
다음 편에서는 JVM의 메모리 구조를 더 자세히 살펴보고, 실제 개발 현장에서 활용할 수 있는 최적화 기법들을 알아보겠습니다!
