[Java] JVM & 자바 동작원리

한호성·2024년 5월 7일

자바_기본개념

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Introduction

자바 어플리케이션 성능 측정을 하려다 보니, 자바에 대해 모르는 부분이 많아서, 다시 한번 자바의 기본 동작원리와 어떻게 도는지 개념을 마지막을 정리하겠다.

한 2년전에 아직 개발을 막 시작했을 때도 같은 내용을 보고 정리했는데, 지금은 그 때보다 훨씬.. 이해하는 정도가 늘어나있는거 같다.
요번에 마무리로 깔끔하게 정리해놓고, 또 정리가 필요하면 나중에 시간이 흐르고, 더 성장해있을 때 정리해보도록 하자..

백기선 님의 자바 온라인스터디 깃헙를 기반으로 자바 개념을 순차적으로 정리해나갈 생각입니다.

JVM이란 무엇인가

Java Virtual Machine의 약자로, 컴파일된 자바 소스코드를 돌려주는 가상머신이다.
(자바 어플리케이션이 수행되는 런타임 엔진을 의미)
JVM은 Bytecode를 읽어서 운영체제에 맞게끔 기계어로 번역해서 프로그램을 실행합니다.
자바의 강점 중 하나로 꼽고 있으며, JVM으로 인해서 자바 코드들은 OS에 독립적이고,
JVM은 OS 의존적입니다(OS에 맞는 JVM을 설치해줘야함) .

JVM 구성 요소

위의 그림을 보면

JVM으로 박스쳐져있는 부분이 JVM을 이루는 구성요소이고,
그 위에는 자바 소스파일이 컴파일 되는것을 표현한 그림이다.

JVM은 크게 3가지 영역으로 생각할 수 있다.

ClassLoader
Runtime Data Area
Exectuion Engine

JVM의 정의는 "자바 어플리케이션이 수행되는 런타임 엔진"이다.
그렇기 때문에, JVM에서 표현되는 모든 것들은 런타임시 실행된다고 이해하면 된다.
각 영역에서 어떤 영역이며, 어떤 작업들이 이루어지는지 정리해보도록 하자.

classLoader

classLoader에 의해 컴파일된 class파일들로부터 데이터를 읽게 된다.
이 과정은 세가지 단계로 진행된다.

로딩 - 링크 - 초기화

로딩

클래스 로더가 .class 파일을 읽고 그 내용에 따라서 "메소드 영역"(runtime data area 포함되어 있음)에 데이터(클래스의 메타데이터)를 저장

링크

링크는 3가지 순서가 있음 (verification - preparation - Resolution)
verification : .class파일이 형식이 유효하지 확인하고
preparation: 클래스에 있는 static 변수들을 기본 값으로 메모리에 할당
Resolution: 해당 타입의 기호참조를 직접 참조로 변경 .. (?)

초기화

static 변수들의 값을 static 블록에서 선언한 값으로 지정
클래스를 위에서부터 아래로 내려가면서 초기화 진행

기본적으로 클래스 로더의 종류

부트스트랩 : JAVA_HOME/lib에 있는 코어 자바 API를 제공. 최상위 우선순위를 가진 클래스로더
플랫폼 : JAVA_HOME/lib/ext 폴더 또는 java.ext.dirs 시스템 변수에 해당하는 위치에 있는 클래스를 읽는다.
어플리케이션: 앱 classPath에 있는 곳에 클래스를 읽는다.

Runtime Data Area

메서드 영역 :

프로그램을 실행하는데 필요한 공통 데이터 관리. 이 영역은 프로그램의 모든 영역에서 공유한다.
클래스정보, static 영역, runtime 상수 풀

스택 영역 :

자바 실행시, 하나의 실행 스택이 생성된다. 각 스택 프레임은 지역변수, 중간 연산결과, 메소드 호출 정보들을 포함한다.
메소드가 종료되면 해당 스택 프렝미이 제거된다.
스택 영역은 쓰레드 별로 하나씩 생성된다.

힙 영역 :

개체와 배열이 생성되는 영역. GC가 이루어지는 주요 영역, 더이상 참조하지 않은 객체는 GC에 의해 제거된다.
클래스의 참조형 멤버변수는 각 인스턴스 값이 다르게 힙 영역에 존재하지만, 클래스의 메소드는 메소드 영역에 존재해서 공유하게 됩니다.

#cf) Heap 메모리의 old 영역에 메모리가 계속 쌓이게 되면, FULL GC가 발생하고, 모든 쓰레드들이 멈춰서 어플리케이션의 문제가 생길 수 있다.

PC Register 영역:

CPU가 instruction을 수행하는 동안 필요한 정보를 저장 ..(?)

Native Method Stakc:

Java 이외의 언어로 작성된 native코드를 위한 stack ..(?)

Exectuion Engine

실행엔진은 3가지로 구성되있다.

Interpreter
- 바이트 코드를 라인단위로 읽어서 번역하고 실행
- 반복되는 부분이 있어도, 계속 번역작업 수행
JIT Compiler
- interpreter를 효율적으로 활용하기 위해서 사용
- interpreter 반복적인 메소드 호출이 있을 때 JIT에서 해당 부분에 대한 네이티브 코드를 제공
  - Warm Up 단계에서 JIT Compiler가 자주 사용되는 것들을 만들게 되고 CPU사용량이 줄어드는 것을 알 수 있다.
  - 배포할 떄 Warm Up을 하고 난 후에 배포가 되도록 하는것이 좋다.
GC
- 사용하지 않는 heap 메모리 영역 정리

컴파일

JDK에 포함되어있는 javac(Java Compiler)를 통해 .java 파일들을 jvm이 이해할 수 있는 bytecode(.class파일)로 바꾸게 됩니다.

바이트코드란 무엇인가

JVM이 이해할 수 있는 언어로 변환된 소스코드들이다
코드의 명령어 크기가 1바이트라서, 바이트코드 라고 부른다.
이것을 다르게 말하자면, JVM은 bytecode를 읽고 기계어로 변환한다. 그렇다면, 코틀린같은 언어들도 JVM 위에서 돌기 때문에, 코틀린으로 작성된 소스코드들도 bytecode로 변환해서 될 것이다. 즉 어떤 언어든 바이트코드로 바꿀 수 있다면, JVM을 통해 돌릴 수 있다는 이야기다..