JVM (Java Virtual Machine)

💡 OS의 메모리 영역에 접근해서 Java의 메모리를 관리하는 가상 프로그램

즉, OS와 JAVA 기반 애플리케이션 사이에서 Java Byte Code를 OS에 맞게 해석해주는 역할을 하며, 자바 기반 애플리케이션을 클래스 로더를 통해 읽어들이고, 자바 API와 함께 실행하는 역할을 한다.
-> 자바를 OS 위에서 실행시키기 위한 가상 머신

프로그램 실행 과정

Java의 소스코드(원시코드)는 CPU가 인식할 수 없기 때문에 기계어로 컴파일을 해줘야한다.

💡 컴파일 : 어떤 언어의 코드 전체를 다른 언어로 바꿔주는 과정

하지만, 자바 코드를 기계어로 직접 컴파일을 하는 것이 아닌 원본 코드(*.java)를 JVM이 인식할 수 있는 바이트 코드(*.class)로 먼저 변환된다. 이 과정은 자바 컴파일러가 수행하는 것이고, 이때 변환된 bytecode는 기계어가 아니므로, OS에서 실행할 수 없다. 그러므로, JVM이 Byte code를 OS와 상관없이 해석하여 실행할 수 있도록 해준다. 그래서 JVM은 OS에 종속되어 있지 않기 때문에, 어떤 디바이스든지 관계없이 자바 파일을 JVM에서 실행할 수 있는 것이다.

JVM 구성 요소

Class Loader

: RunTime 시점에 Java compiler를 통해 바이트 코드로 변환된 클래스를 로딩하며 jar 파일 내 저장된 클래스들을 JVM 위에 탑재한다.

💡 런타임 : 프로그램이 실행되고 있는 시간 (컴파일 타임 -> 런타임)

Execution Engine

: Class Loader를 통해 로드된 클래스를 실행하는 역할을 한다.

이 과정에서 자바 바이트 코드를 바이너리 코드(기계어)로 변환하는 컴파일 작업도 수행한다. JVM은 기존의 Interpreter 방식으로 한 줄씩 해석하고 실행하여 속도가 느린 문제가 있었지만, JIT(Just-In Time) compiler 방식을 사용해 Bytecode를 Nativecode(기계어)로 변경해서 실행한다. 이 과정에서 생기는 비용이 존재하기 때문에 Interpreter 방식을 사용하다가 일정 기준이 넘어가게 되면 JIT compiler 방식을 사용한다.

Runtime Data Area

: JVM이 프로그램을 실행하기 위해 OS로 부터 할당된 메모리 공간을 의미한다.

클래스 로더를 통해 로드한 바이트 코드를 해당 영역에 배치한다.

1. PC Register

• 스레드가 실행될 때 생성되는 공간
• 스레드가 어떤 작업을 어떻게 처리해야 하는지 기록하는 공간
• JVM 명령의 주소를 갖는다.

2. JVM Stack

• 지역 변수, 메서드 매개변수, 반환 값 등을 저장하는 공간

3. Native Method Stack

• 바이너리 코드(기계어)의 파일을 실행시키는 영역

4. Method Area

• 모든 스레드가 공유하는 메모리 영역
• 클래스, 인터페이스, 메서드, 필드, 전역 변수 등 저장

5. Heap

• 런타임 시 동적으로 할당하는 영역
• Class의 instance를 생성하면 Heap 영역에 저장된다.

Garbage Collector

: JVM Heap 영역에서 동적으로 할당했던 메모리 영역 중 사용하지 않는 메모리를 주기적으로 삭제해주는 프로세스

C언어에서는 사용하지 않는 메모리를 관리하기 위해 free() 라는 함수를 사용한다. 하지만, 자바 or 코틀린에서는 메모리를 직접 해제해주지 않는다. 직접 해제하지 않아도 메모리를 관리할 수 있는 이유는 GC(Garbage Collector)가 자동으로 메모리를 정리해주기 때문이다.

동작 방식

1. Stop the World
   • GC가 실행 될 때 해당 스레드를 제외한 모든 스레드의 작업이 중단된다.
2. Mark and Sweep
   • Mark : 사용되지 않는 메모리 식별
   • Sweep : 식별된 메모리 해제

=> GC는 스택의 모든 변수 및 객체를 탐색하면서 어떤 객체를 참조하는지 확인한다.

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참고 자료

JVM 이란?
JVM 이란?
JVM 메모리 구조