[JAVA] 자바 가상머신(JVM), 자바 실행 방식

mingsso·2023년 10월 8일

Java-Kotlin

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1️⃣ 자바 가상 머신(JVM, Java Virtual Machine)

자바 가상머신은 운영체제 위에서 실행되는 하나의 프로그램이며, 자바 프로그램을 실행시킴

Class Loader(클래스 로더)

자바는 동적 로드, 즉 컴파일 타임이 아니라 런타임에 클래스를 로드하고 링크(검증)하는 특징이 있는데 이러한 동적로드를 클래스 로더가 담당함
-> 한 번에 메모리에 올리지 않고, 애플리케이션에서 필요한 경우 적재함
로드된 바이트 코드(.class)들을 읽어서 JVM의 메모리 영역인 Runtime Data Areas에 배치함
클래스 파일의 로딩 순서는 3단계로 구성됨 (Loading → Linking → Initialization)
- Loading : 클래스 파일을 가져와서 JVM의 메모리에 로드함
- Linking : 클래스 파일을 검증함(자바 언어 명세 및 JVM 명세에 명시된 대로 잘 구성되었는지 검사)
- Initialization : 클래스 변수들을 초기화함

Execution Engine(실행 엔진)

바이트 코드를 명령어 단위로 읽어 바이너리 코드로 번역하여 실행함
이때 실행 엔진은 인터프리터와 JIT 컴파일러 두 가지 방식을 혼합하여 바이트 코드를 실행함
인터프리터(Interpreter)
- 바이트 코드 명령어를 하나씩 읽어서 해석하고 바로 실행함
- 같은 메소드라도 여러 번 호출이 된다면 매번 해석하고 실행해야 해서 속도가 느림
JIT 컴파일러(Just-In-Time Compiler)
- 인터프리터의 단점을 보완하기 위해 도입된 방식
- 바이트 코드 전체를 컴파일하여 Native Code로 변경해서 캐싱해둠 → 다음에 실행할 때는 네이티브 코드로 컴파일된 코드를 바로 사용함
- But, 바이트 코드를 네이티브 코드로 변환하는 데도 비용이 소모되므로, JVM은 모든 코드를 JIT 컴파일러 방식으로 실행하지 않고 인터프리터 방식을 사용하다가 일정 기준을 넘어가면 JIT 컴파일 방식으로 명령어를 실행함

💡 바이트 코드 vs 네이티브 코드 vs 바이너리 코드

바이트 코드: CPU가 아닌 가상머신에서 이해할 수 있는 이진코드

바이너리 코드(이진 코드): CPU가 인식할 수 있는 0과 1로 구성된 이진코드
즉 고급언어 -> 바이트 코드 -> 바이너리 코드로 변환되는 것!

네이티브 코드: C, C++처럼 JVM 같은 인터프리터 없이도 운영체제가 읽을 수 있는 형태로 컴파일해서 사용할 수 있는 코드, 메모리가 관리(메모리 해제, 가비지 수집 등)되지 않음

Runtime Data Areas(런타임 데이터 영역)

JVM의 메모리 영역으로, 자바 애플리케이션을 실행할 때 사용되는 데이터들을 적재함
Method Area
- 클래스로더로 읽은 클래스 파일을 클래스별로 런타임 상수 풀, 필드 데이터, 메소드 데이터, 메소드 코드, 생성자 코드 등을 분류해서 저장함
- Runtime Constant Pool(런타임 상수 풀)
  - 클래스와 인터페이스 상수, 메소드와 필드에 대한 모든 레퍼런스(주소값)를 저장함
  - JVM은 런타임 상수 풀을 통해 해당 메소드와 필드의 실제 메모리 상 주소를 찾아 참조할 수 있음
Heap Area
- 프로그램 상에서 데이터를 저장하기 위해 런타임 시 동적으로 할당하여 사용하는 메모리 영역
- 인스턴스(객체)와 배열을 저장 -> 인스턴스의 소멸 시점과 소멸 방법이 지역변수와 다르기 때문에 스택 영역이 아닌 힙 영역에 저장하는 것
- 모든 스레드에서 공유
Stack Area
- 지역 변수, 매개변수 등 연산 중 발생하는 임시 데이터를 저장함
- 각 스레드 별로 생성
PC Register
- 현재 실행 중인 JVM의 명령어 주소를 가지고 있음
- 각 스레드 별로 생성
Native Method Stack Area
- 자바 외 언어로 작성된 네이티브 코드를 위한 메모리
- C/C++ 등의 코드를 수행하기 위한 스택으로 네이티브 메소드의 매개변수, 지역변수 등을 바이트 코드로 저장함
- JNI와 연결되어 있어 JNI가 사용되면 이곳에 저장됨
- 각 스레드 별로 생성