JVM (Java virtual Machine)

jiho·2021년 5월 17일

Java

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1. JVM 이란?

Reference

https://dzone.com/articles/jvm-architecture-explained

Java Virtual Machine 은 자바 바이트코드(.class)을 실행하는 프로그램입니다. 즉, 자바 프로그램이 실행할 수 있는 런타임 환경을 제공합니다. 흔히 우리가 알고있는 JRE(Java Runtime Environment)가 JVM의 구현체를 가지고 있습니다.

자바 컴파일러(javac)에 의해 생성된 자바 바이트 코드는 기계어가 아니기 때문에 OS에서 바로 실행할 수 없습니다. JVM은 OS가 java byte code를 이해할 수 있도록 해석해줍니다. JVM의 해석을 거치기 때문에 C언어와 같은 네이티브언어에 비해 느렸지만 JIT(Just-In-Time) Compiler 를 구현해 해당 문제를 극복했습니다.

Byte Code는 JVM 위에서 OS상관없이 실행됩니다. 이런 점이 Java의 가장 큰 장점이라고 할수 있습니다.
OS에 종속적이지 않고 Java 파일 하나만 만들면 어느 디바이스든 JVM 위에서 실행 할 수 있습니다.

그리고 JVM은 크게 세 가지의 구성으로 이루어집니다.

2. JVM 구성 요소

구성 요소들은 한 번정도는 깊게 이해하는 것이 좋을 것 같아 큰 단락으로 정리하겠습니다.

ClassLoader
Runtime Data Area
Execution Engine
Java Native Interface
Java Native Libraries

자바 클래스 로더 (class loader)

클래스를 메모리에 올리는 동적 클래스 로딩 기능은 ClassLoader에 의해 이루어집니다.

즉, 자바 클래스들은 한번에 메모리에 올라오지않고 어플리케이션에 의해 필요할 때 동적으로 메모리에 올라오게됩니다.
클래스 로딩은 3단계로 이루어집니다.

Loading -> Linking -> Initializaion

1) Loading

모든 클래스들이 하나의 클래스 로더에 의해 로딩되지않습니다. 클래스의 종류와 경로에 따라 어떤 클래스로더에 의해 로드될지 결정됩니다. 만약 클래스가 발견되지 않는다면 NoClassDefFoundError 와 ClassNotFoundException이 발생하게 됩니다.

BootStrap ClassLoader
- Its job is to load the first pure Java ClassLoader. Bootstrap ClassLoader loads classes from the location rt.jar.
Extension ClassLoader
- It loads files from jre/lib/ext directory or any other directory pointed by the system property java.ext.dirs.
Application ClassLoader
- It loads the Application type classes found in the environment variable CLASSPATH, -classpath or -cp command line option.

2) Linking

Verify
Bytecode verifier는 생성된 자바 바이트 코드가 적절한지를 검증합니다.
Prepare
모든 static 변수의 메모리가 할당되어지고 default 값들이 할당됩니다.
Resolve
모든 Symbolic memory reference가 Method Area에 있는 original references로 대체됩니다.

Method Area는 아래 Runtime Data Area에서 설명할 예정.

3) Initialization

Class Loading의 마지막 단계입니다. 모든 Static 변수들이 original 값들로 할당되고 static block이 실행 됩니다.

  static class Student {
    // Static Block
    static {
      System.out.println("static...1");
    }
  }

Runtime Data Areas

Runtime Data Area는 메모리에 올라와있는 자바 프로그램입니다.
크게 5개의 주요 구성요소로 나뉘어져있습니다.

Method Area : static 변수들을 포함해서 클래스 수준의 모든 데이터가 이곳에 저장될 것입니다. JVM마다 오직 하나의 method area가 있으며 공유되는 리소스들입니다.
Heap Area : 모든 Objects와 그에 상응하는 instance 변수 그리고 배열들이 이곳에 저장됩니다. 물론 JVM마다 하나의 Heap Area가 존재합니다. Method areas 와 Heap areas는 여러 스레드들간에 공유되는 메모리입니다. 즉, 이 곳에 저장된 데이터들은 스레드에 안전하지 않습니다.
Stack Area : 각각의 스레드를 위해 분리된 런타임 스택이 생성됩니다. 메소드 호출마다, Stack Frame이라 불리는 하나의 Entry가 Stack memory가 생성됩니다. stack area는 스레드에 안전하지만 공유되는 리소스가 아닙니다. 또, Stack Frame은 3가지 Subentities로 나뉘어집니다.
- Local Variable Array
- Operand stack
- Frame data
PC Register : 각 스레드는 현재 실행중인 상태 정보를 저장하는 개별적인 PC Register들을 가질 것이고 진행이 되면 지속적으로 갱신됩니다.
Native Method stacks : Native Method Stack 는 native method 정보를 가지고 있습니다. 각 스레드는 개별의 native method stack 이 생성될 것입니다.

Execution Engine (중요)

Runtime Data Area에 할당된 Java ByteCode를 Execution Engine이 실행시킵니다.
The Execution Engine 은 bytecode 를 읽고 한줄 한줄 실행시킵니다.

Interpreter
- interpreter는 bytecode를 빨게 해석하지만 느리게 실행한다. interpreter의 단점은 하나의 메소드를 여러번 호출할 때, 매번 새로운 해석이 요구된다는 것이다.
JIT Compiler
- JIT Compiler는 interpreter의 단점을 없애준다. Execution Engine은 interpreter가 bytecode를 변환하는데 사용하지만 반복되는 코드를 발견했을 때 전체 bytecode를 컴파일하고 그것을 native code로 바꾸는 JIT compiler를 사용한다. 여기서 생성된 native code는 반복되는 메소드 호출에 대해 성능을 개선하기위해 직접적으로 사용됩니다.
Garbage Collector
- 참조되어 있지 않는 Objects들을 모으고 제거하는 역할을 합니다. Garbage Collection은 System.gc() 를 호출하므로 발생합니다. 하지만 실행이 보장되지는 않습니다.