JVM(Java Virtual Machine)
JVM은 'Java Virtual Machine'의 줄임말로 자바를 실행하기 위한 가상머신(컴퓨터)입니다.
컴퓨터를 사용해서 Java를 실행하기 위한 가상의 컴퓨터라고 생각하면 됩니다. 즉, 컴퓨터 속의 컴퓨터입니다.
JVM 장점
1. OS에 종속받지 않는다.
Java는 OS에 종속받지 않고 어느 OS나 실행가능하다는 특징을 가지고 있습니다. OS에 종속받지 않을 수 있는 이유가 JVM이 있기 때문입니다. 다만 JVM은 OS와 직접 소통하기때문에 각 OS규격에 맞는 JVM이 필요합니다.
하지만 Java를 개발한 썬 마이크로시스템즈(Sun Microsystems, Inc.)에서 이미 주요 OS용 JVM을 제공하고 있기 때문에 걱정할 필요가 없습니다.
2. 자동 메모리관리(feat. Garbage Collection)
Java 이전에는 프로그래머가 모든 프로그램의 메모리를 관리했어야 했습니다. 그러나 자바는 JVM이 프로그램 메모리를 대신 관리해줍니다.
가비지 컬렉션(Garbage Collection. 이하 GC)프로세스를 통해 메모리를 관리하며, 가비지 컬렉션은 자바 프로그램에서 사용되지 않는 메모리를 지속적으로 찾아내서 제거해줍니다.
💡 자바는 실행 시에 해석되기 때문에 속도가 느리다고 알려져있습니다. 그러나 C나 Rust 못지않게 빠르며, 대부분의 다른 언어보다 빠른 언어 중 하나 입니다. 최근엔 바이트코드(Compiled Java Code)를 하드웨어의 기계어로 바로 변환해주는
JIT컴파일러와 최적화 기술도 적용되어 최적화된 성능을 출력할 수 있습니다. 그럼에도 불구하고 C나 Rust에 비하면 메모리를 많이 소모합니다.
Java 컴파일 과정
Java코드(*.java)는 CPU가 인식을 하지 못하므로 기계어로 컴파일하는 과정이 필요합니다. 하지만 JVM은 사용자 언어인 원시코드(*.java)를 인식하지 못한다. 그래서 JVM으로 해석하기 전에 Compiler를 통해 JVM이 인식할 수 있는 Java ByteCode(*.class)로 변환하는 과정을 거칩니다.
변환된 ByteCode도 OS에서 이해할 수 있는 기계어가 아니기 때문에 JVM이 OS가 이해할 수 있도록 'ByteCode -> 기계어'로 해석해줍니다.
자바코드가 이런 과정으로 컴파일 되기 때문에 "Write once, run anywhere.(한 번 작성하면 어디서든 실행된다."이 가능하게 됩니다.
JVM 구성요소
JVM은 크게 다음과 같이 구성되어 있습니다.
- 클래스 로더(Class Loader)
- 로드(Loading)
- 링크(Linking)
- 초기화(Initialization)
- 로드(Loading)
- 실행 엔진(Execution Engine)
- 인터프리터(interpreter)
- JIT(Just-In-Time) 컴파일러
- 가비지 콜렉터(Garbage Collector)
- 런타임 데이터 영역(Runtime Data Area)
클래스 로더(Class Loader)
자바는 동적 로드를 합니다. 이 말은 컴파일 타임이 아니라 런타임에 클래스를 처음으로 참조할 때 해당 클래스를 로드하고 링크한다는 말입니다. 이 동적 로드를 담당하는 부분이 클래스 로더(Class Loader)다.
클래식 로더가 로드되지 않은 클래스를 찾으면 다음과 같은 과정을 거쳐 처리합니다.
- 로드(Loading): 클래스(
.*class)를 파일에서 가져와서 JVM의 메모리에 로드. - 링크(Linking)
- 검증(Verifying): 로드된 클래스 파일을 자바 언어 명세(Java Language Specification) 및 JVM 명세에 명시된 대로 구성되어 있는지 검사.
- 준비(Preparing): 클래스가 필요로 하는 메모리를 할당하고 정의된 필드, 메서드, 인터페이스들을 나타내는 데이터 구조를 준비.
- 분석(Resolving): 클래스의 상수 풀 내 모든 심볼릭 래퍼런스를 다이렉트 레퍼런스로 변경.
- 초기화(Initializing): 클래스 변수들을 적절한(미리 설정된) 값으로 초기화.
런타임 데이터 영역(Runtime Data Area)
런타임 데이터 영역은 JVM이라는 프로그램이 운영체제 위에서 실행되면서 할당받는 메모리 영역입니다.
- PC 레지스터(PC Register):
- 현재 수행 중인 JVM 명령의 메모리 주소를 저장- 각 스레드 마다 하나씩 존재
- 각 스레드가 시작될 때 생성
- 프로그램 실행 흐름을 제어하는데 사용
- JVM stack: 각 스레드마다 하나씩 존재하며 스레드가 시작될 때 생성된다. 스택 프레임(Stack Frame)이라는 구조체를 저장하는 스택으로, 오직 JVM 스택에 스택 프레임을 추가(push)하고 제거(pop)하는 동작만 수행한다.
스택에 할당된 값들은 실행과정에서 임시로 할당되었다가 메소드를 빠져나가면 소멸되는 특성을 가지고 있다.- 지역 변수, 메서드 호출 시 사용되는 값, 연산 결과 등을 저장
- 메서드 호출 시 스택 프레임이 생성되고, 메서드 종료 시 스택 프레임 제거
- 각 스레드 마다 하나씩 생성
- Native Method Stack: 자바 외의 언어로 작성된 기계어로 작성된 코드를 위한 스택으로 해당 언어에 맞게 독자적으로 스택이 생성된다.
- 네이티브 언어(C, C++ 등)로 작성된 메서드 호출 시 사용하는 메서드 영역- 각 스레드 마다 생성
- 메서드 영역(클래스 영역): 런타임 이전에 하나씩 실행
- 클래스 정보를 저장하는 영역
- 정적 변수, 상수, 메서드 등이 저장됨
- 일부 JVM에 따라 GC가 관리
- 모든 스레드에서 공유
- Class Loader에 의해 클래스가 로드 될 때 저장되는 공간
- 힙 영역: 런타임에 인스턴스 변수 생성
- 객체 인스턴스를 저장하는 공간
- GC에 의해 관리됨
- 인스턴스 변수, 배열 등 동적으로 변화하는 데이터가 해당 영역에 저장
- Application이 사용가능한 가장 큰 메모리 영역
- 모든 스레드가 공유
- 스택 영역
- 지역 변수, 메서드 호출 시 사용되는 값, 연산 결과 등 저장- 메서드 호출 시 스택 프레임이 생성 -> 메서드 종료 시 스택 프레임 제거
- 스레드 마다 생성
💡 힙 영역에 문자열을 위한 힙 영역이 따로 존재
- new String("김춘박"); <- 힙 영역에 하나의 객체로 할당
- String str = "김춘식"; <- 힙 영역의 문자열 영역 내부에 할당
- 해당 문자열을 참조시 참조 변수에는 해당 문자열의 힙메모리 주소가 할당됨
💡 스레드(Thread)
- 하나의 프로세스 안에서 실행되는 흐름의 단위.
모든 프로세스에는 한 개 이상의 스레드가 포함되어 있다. 두 개 이상의 스레드를 가지는 프로세스를 멀티 스레드 프로세스(Multi Thread Process)라고 한다.
💡 프로세스(Process)
- 현재 실행중인 프로그램.
프로그램 파일이 주기억장치(RAM)에 적재되어 CPU에 의해 실행 중인 것을 말한다.
실행 엔진(Execution Engine)
클래스 로더를 통해 JVM 내의 런타임 데이터 영역에 배치된 ByteCode는 실행 엔진에 의해 실행된다. 실행 엔진은 자바 바이트코드를 명령어 단위로 읽어서 실행합니다.
- 인터프리터: 자바 바이트코드 명령어를 하나씩 읽어서 해석하고 실행한다. 한 줄씩 해석하고 실행하기 때문에 하나하나의 해석은 빠르지만 인터프리팅 결과의 실행은 느리다는 단점을 보유.
- JIT(Just-In-Time) 컴파일러: JIT컴파일러는 인터프리터의 단점을 보완하기 위해 도입됐다. 인터프리터 방식으로 실행하다가 적절한 시점에 바이트코드 전체를 컴파일하여 기계어로 변환한다. 이후에 기계어를
캐시(Cache)에 보관하기 때문에 한 번 컴파일된 코드를 계속 빠르게 직접 실행할 수 있다. - 가비지 콜렉터(GC): 위에서 언급했듯이 사용되지 않는 인스턴스를 찾아내서 메모리에서 제거한다.
JDK와 JRE의 차이
📚 Reference
