Java 메모리 구조와 JVM 동작 방식

JVM이란?

JVM(Java Virtual Machine)은 자바 바이트코드를 실행하기 위한 가상 머신이다. 플랫폼에 독립적인 실행 환경을 제공하며, 자바 프로그램의 실행을 책임진다.

JVM 구성 요소

• 클래스 로더 (Class Loader)
• 실행 엔진 (Execution Engine)
• 런타임 데이터 영역 (Runtime Data Area)
• 네이티브 메서드 인터페이스 (JNI)
• 네이티브 메서드 라이브러리

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자바 메모리 구조

Method Area (메서드 영역)

• 클래스에 대한 메타데이터 저장: 클래스 이름, 부모 클래스, 메서드 정보, 변수 정보 등
• static 변수 저장
• 모든 스레드가 공유하는 영역
• 예: static int count; → 여기에 저장됨

Heap (힙 영역)

• 객체와 배열이 저장되는 공간
• GC(Garbage Collector)의 대상이 되는 영역
• 모든 스레드가 공유함

Stack (스택 영역)

• 각 스레드마다 생성되는 공간
• 메서드 호출 시 생성되는 프레임 저장
• 지역 변수, 매개변수 저장
• 메서드 호출이 끝나면 스택 프레임이 제거됨

PC Register (프로그램 카운터)

• 현재 실행 중인 JVM 명령어의 주소를 저장
• 스레드마다 개별적으로 존재

Native Method Stack

• C/C++ 등 JVM 외의 네이티브 메서드 실행 시 사용되는 스택

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JVM 동작 과정

• 클래스 로딩

  • .java -> .class 컴파일된 바이트코드를 JVM이 로드
  • 로드, 링크, 초기화 과정 포함

• 바이트코드 검증

  • 코드의 유효성과 보안성 검증

• 실행 엔진 동작

  • 인터프리터 : 바이트코드를 한 줄씩 실행
  • JIT(Just In Time) 컴파일러 : 자주 사용되는 코드를 기계어로 변환해 성능 최적화

• GC(Garbage Collection)

  • 참조되지 않는 객체를 힙에서 자동으로 제거하여 메모리 회수

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Garbage Collection

자바의 장점 중 하나는 개발자가 직접 메모리를 해제하지 않아도 된다는 점이다. GC가 JVM의 Heap 영역에서 더 이상 사용되지 않는 객체를 자동으로 탐지하고 제거하기 때문이다.

객체를 생성한 후 명시적으로 메모리를 해제하기 않으면 메모리 누수가 발생하고, 이는 시스템 성능 저하나 종료로 이어질 수 있기 때문에 메모리 관리가 중요하다.

Young / Old Generation

GC는 힙을 크게 Young Generation과 Old Generation으로 나누어 관리하며, 각 영역에서 다른 방식으로 수집한다.

• Young Generation (신생 영역)

  • 새로 생성된 객체들이 저장됨(new 키워드로 생성)
  • 대부분의 객체는 이 영역에서 잠깐 사용되고 사라짐
  • Eden, Survivor로 나뉨
  • Minor GC가 발생 → 처리 속도가 빠름

• Old Generation (노후 영역)

  • Young 영역에서 오랫동안 살아남은 객체가 이동
  • 오랫동안 살아있는 객체가 많음
  • Major GC / Full GC 발생 → 처리 시간이 길 수 있음

GC 실행 방식

• Mark and Sweep
  • Mark 단계 : 참조가 남아 있는 객체에 표시
  • Sweep 단계 : 표시되지 않은 객체를 제거
• Copying
  • 주로 Young 영역에서 사용
  • 객체를 Survivor 영역에서 복사하면서 살아있는 객체만 남기고 나머지는 제거
• Compacting
  • 객체가 흩어져 있으면 접근이 느려지므로, 연속된 공간으로 재배치하여 단편화를 줄임

GC 종류

종류	설명
Serial GC	단일 스레드, 메모리가 작을 때 적합
Parallel GC	멀티 스레드, Throughput 중시 환경에 적합
CMS GC	GC로 인한 정지 시간을 줄이기 위해 Concurrent 방식 사용
G1 GC	최근 JVM에서 기본값, 영역을 나눠서 효율적으로 GC 수행