JVM(Java Virtual Machine)은 자바로 작성된 프로그램을 실행하기 위한 환경. 자바 소스코드를 CPU가 인식할 수 있는 기종 고유의 코드로 변환하여 실행한다. 그래서 운영체제에 종속받지 않고 CPU가 자바를 인식, 실행할 수 있다. JVM이 있어서 자바 언어는 운영체제에 독립적이다.
자바 응용프로그램은 운영체제나 하드웨어가 아닌 JVM하고만 통신하고 JVM이 자바 응용프로그램으로부터 전달받은 명령을 운영체제가 이해할 수 있도록 변환하여 전달한다. JVM은 운영체제에 종속적이다.
Write Once, Read Anywhere
자바 애플리케이션은 JVM을 한 번 더 거치고 하드웨어에 맞게 완전히 컴파일된 상태가 아니고 실행 시 해석(interpret)되기 때문에 속도가 느리다.
JVM 구조
1 Classloader
자바 응용프로그램을 실행할 때마다 클래스 파일(.class)들을 로드하는 JVM의 서브시스템. Java에는 세가지 빌트인 클래스로더가 있다.
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Bootstrap ClassLoader : Extension ClassLoader의 상위 클래스인 첫 번째 클래스 로더. java.lange, java.net, java.util, java.io, java.sql 패키지 클래스 등과 같은 Java Standard Edition의 모든 클래스 파일이 들어 있는 rt.jar 파일을 로드한다.
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Extension ClassLoader : Bootstrap ClassLoader의 자식 클래스로더이고 System ClassLoader의 부모 클래스로더.
$JAVA_HOME/jre/lib/ext디렉토리 안에 위치한 jar 파일들을 로드한다. -
System/Application ClassLoader : Extension ClassLoader의 자식 클래스. classpath로부터 classfile들을 로드한다. 기본적으로 classpath는 현재 디렉토리로 세팅된다.
-cp나-classpath명령어를 사용해 classpath를 바꿀 수 있다.
클래스로더를 만들고싶다면 ClassLoader 추상 클래스를 상속받아야 한다.
2 Class(Method) Area
로드된 클래스들의 메타데이터와 관련된 정보를 저장하는 영역. 런타임 상수 풀, 필드 및 메서드 데이터, 메서드 코드와 같은 클래스별 구조가 저장된다.
3 Heap
객체가 동적으로 할당되는 런타임 데이터 영역. Heap에 할당된 객체에 대한 참조는 스택 메모리에 저장된다. 전역 접근이 가능하므로 응용프로그램의 어느 곳에서나 접근할 수 있다(어떤 메서드, 클래스, 스레드).
- generations
- Young Generation
모든 새 객체가 할당되고 노화되는 곳. 가득 차면 가비지 컬렉션이 발생한다.
Eden Space와 Survivor Spaces로 나뉜다. - Old or Tenured Generation
오래 살아남은 객체가 저장되는 곳. 객체가 Young Generation에 저장되면 객체 나이에 대한 임계값이 설정되고 이 임계값에 도달하면 해당 객체는 여기로 이동한다. - Permanent Generation
런타임 클래스와 애플리케이션 메서드에 대한 JVM 메타데이터로 구성된다.
- 복잡한 메모리 관리 기술을 통해 객체의 수명에 따라 메모리를 효율적으로 관리한다.
- 힙 영역이 꽉 차면
java.lang.OutOfMemoryError를 던진다. - 스택에 비해 접근이 비교적 느리다.
- 스택과 반대로 자동으로 할당 해제되지 않는다. 메모리를 효율적으로 관리하기위해 사용되지 않는 객체를 가비지 컬렉터가 필요하다.
- 스택과 달리 힙은 스레드 안전하지 않으므로 코드를 적절히 동기화해 보호해야 한다.
4 Stack
메서드 호출 시마다 프레임을 생성되는데 여기에 로컬 변수와 부분 결과 및 메서드 호출과 실행에 필요한 정보를 저장한다(로컬 변수, 운영 결과, 메서드 호출 정보). 메서드 호출의 순서를 관리해 프로그램의 실행 흐름이 올바르게 이어지도록 돕는다. Java에서는 멀티스레딩을 지원하기 때문에 각 스레드는 자신의 JVM 스택을 소유한다. 메서드가 호출될 때마다 새 프레임이 생성되고 프레임은 메서드 호출이 완료되면 소멸된다. Last-In-First-Out(LIFO).
- 새로운 메서드가 호출되고 반환됨에 따라 커지고 줄어든다.
- 스택 안에 있는 변수는 해당 변수를 생성한 메서드가 실행되고 있는 동안만 존재한다.
- 메서드 실행이 완료되면 자동으로 할당 및 할당 취소된다.
- 메모리가 꽉 차면
java.lang.StackOverFlowError를 던진다. - 힙에 접근할 때보다 스택 접근이 더 빠르다.
- 각 스레드는 자신의 스택을 가지므로 스레드 안전(threadsafe)하다.
5 Program Counter Register(PC register)
현재 실행 중인 JVM 명령어의 주소를 포함한다. 현재 실행되고 있는 바이트코드 명령어의 주소를 추적해 JVM이 프로그램의 실행 흐름을 관리하고 올바른 명령어를 순차적으로 실행할 수 있도록 돕는다. 각 스레드는 독립적인 PC 레지스터를 갖는다.
6 Native Method Stack
JVM 내에서 네이티브 메서드(Java가 아닌 다른 프로그래밍 언어로 작성된 메서드)를 실행하는 데 사용되는 메모리 영역. 네이티브 메서드는 시스템 수준의 작업을 수행하거나 기존 네이티브 라이브러리를 활용하기 위해 사용된다.
7 Execution Engine
Java 바이트코드를 실행하는 역할. 바이트코드를 기계어로 변환하여 하드웨어가 이해할 수 있도록 한다.
- 가상 프로세서(Virtual Processor)
바이트코드 명령어를 실행하는 가상 프로세서. 물리적인 CPU의 동작을 모방해 Java 응용프로그램을 다양한 운영체제에서 수정없이 실행할 수 있게 한다. - 인터프리터(Interpreter)
바이트코드 스트림을 한 번에 하나의 명령어씩 읽어 직접 실행한다. - JIT 컴파일러(Just-In-Time Compiler)
런타임 중 자주 실행되는 바이트코드를 네이티브 코드로 컴파일해 성능을 향상시킨다.
8 Java Native Interface(JNI)
Java 응용프로그램이 다른 프로그래밍 언어로 작성된 코드와 상호작용할 수 있게 해주는 프레임워크. Java의 이식성을 유지하면서도 성능이 중요한 부분이나 기존 네이티브 라이브러리와 통합을 가능하게 한다.
🔗 References
- JVM (Java Virtual Machine) Architecture
- Stack Memory and Heap Space in Java
- 남궁성, 『Java의 정석 1』, 도우출판(2016)
