JVM에 대하여 학습해야 하는 이유

Java는 대중적인 사랑을 받는 프로그래밍 언어다. 특히 우리나라의 사용 비율은 다른 국가에 비해 압도적으로 높다. 괜히 우리나라를 자바 공화국이라 부르는 것이 아니다. 이는 개발자의 커리어를 이어가는 동안 마주할 확률이 높은 언어라는 뜻이도 하다. Java를 잘 다룰 줄 안다면 손해보는 일은 없으리라 생각한다.

Java는 플랫폼에 종속적이지 않다. 이는 자바의 큰 장점이다. Java로 작성한 코드는 다양한 타켓 플랫폼(Window, Linux, MacOS)에서 실행이 가능하다. 이것이 가능한 이유는 Java가 JVM 기반의 언어이기 때문이다. Java를 잘 다루기 위해서는 JVM 동작 과정에 대한 이해가 필수적이다.

JVM(Java Virtual Machine)이란?

자바 가상 머신 JVM(Java Virtual Machine)은 자바 프로그램 실행환경을 만들어 주는 소프트웨어다. 자바 코드를 컴파일하여 .class 바이트 코드로 만들면 이 코드가 자바 가상 머신 환경에서 실행된다. JVM은 자바 실행 환경 JRE(Java Runtime Environment)에 포함되어 있다. 현재 사용하는 컴퓨터의 운영체제에 맞는 자바 실행환경 (JRE)가 설치되어 있다면 자바 가상 머신이 설치되어 있다는 뜻이다.

JVM(Java Virtual Machine)의 동작 방식

1. 자바로 개발된 프로그램을 실행하면 JVM은 OS로부터 메모리를 할당한다.
2. 자바 컴파일러(javac)가 자바 소스코드(.java)를 자바 바이트코드(.class)로 컴파일한다.
3. Class Loader를 통해 JVM Runtime Data Area로 로딩한다.
4. Runtime Data Area에 로딩 된 .class들은 Execution Engine을 통해 해석한다.
5. 해석된 바이트 코드는 Runtime Data Area의 각 영역에 배치되어 수행하며 이 과정에서 Execution Engine에 의해 GC의 작동과 스레드 동기화가 이뤄진다.

JVM의 구조

• 클래스 로더
  자바는 동적으로 클래스를 읽어오므로, 프로그램이 실행 중인 런타임에서야 모든 코드가 자바 가상 머신과 연결된다. 이렇게 동적으로 클래스를 로딩해주는 역할을 하는 것이 바로 클래스 로더(class loader)다. 자바에서 소스를 작성하면 .java파일이 생성되고 .java소스를 컴파일러가 컴파일하면 .class파일이 생성되는데 클래스 로더는 .class 파일을 묶어서 JVM이 운영체제로부터 할당받은 메모리 영역인 Runtime Data Area로 적재한다.
• 실행 엔진(Execution Engine)
  클래스 로더에 의해 JVM으로 로드된 .class 파일(바이트코드)들은 Runtime Data Areas의 Method Area에 배치되는데, 배치된 이후에 JVM은 Method Area의 바이트 코드를 실행 엔진(Execution Engine)에 제공하여, 정의된 내용대로 바이트 코드를 실행시킨다. 이때, 로드된 바이트코드를 실행하는 런타임 모듈이 실행 엔진(Execution Engine)이다. 실행 엔진은 바이트코드를 명령어 단위로 읽어서 실행한다.
• 가비지 컬렉터(Garbage Collector)
  자바 가상 머신은 가비지 컬렉터(garbage collector)를 이용하여 더는 사용하지 않는 메모리를 자동으로 회수해준다. 따라서 개발자가 따로 메모리를 관리하지 않아도 되므로, 더욱 손쉽게 프로그래밍을 할 수 있도록 도와주는 역할을 한다. Heap 메모리 영역에 생성(적재)된 객체들 중에 참조되지 않은 객체들을 탐색 후 제거하는 역할을 하며 해당 역할을 하는 시간은 정확히 언제인지를 알 수 없다. GC역할을 수행하는 스레드를 제외한 나머지 모든 스레드들은 일시정지상태가 된다.
• 런타임 데이터 영역 (Runtime Data Area)
  런타임 데이터 영역은 JVM의 메모리 영역으로 자바 애플리케이션을 실행할 때 사용되는 데이터들을 적재하는 영역이다.
  1. 메서드 영역 (Method Area)
     클래스 멤버 변수의 이름, 데이터 타입, 접근 제어자 정보와 같은 각종 필드 정보들과 메서드 정보, 데이터 Type 정보, Constant Pool, static변수, final class 등이 생성되는 영역.
  2. 힙 영역 (Heap Area)
     new 키워드로 생성된 객체와 배열이 생성되고 주기적으로 GC가 제거하는 영역.
  3. 스택 영역 (Stack Area)
     지역변수, 파라미터, 리턴 값, 연산에 사용되는 임시 값 등이 생성되는 영역.
  4. PC 레지스터 (PC Register)
     Thread가 생성될 때마다 생성되는 영역으로 프로그램 카운터, 즉 현재 스레드가 실행되는 부분의 주소와 명령을 저장하고 있는 영역.
  5. 네이티브 메서드 스택 (Native Method Stack)
     자바 이외의 언어(C, C++, 어셈블리 등)로 작성된 네이티브 코드를 실행할 때 사용되는 메모리 영역으로 일반적인 C 스택을 사용한다. 보통 C/C++ 등의 코드를 수행하기 위한 스택을 말하며 (JNI) 자바 컴파일러에 의해 변환된 자바 바이트 코드를 읽고 해석하는 역할을 하는 것이 자바 인터프리터(interpreter)다.