자바 JVM의 이해

오늘은 자바의 JVM(Java Virtual Machine) 에 대해 알아보자 !
위 자료는 자바 심화 04강 영상을 토대로 작성되었습니다.

자바의 동작 과정을 한 단계씩 설명하겠습니다.

1. Source Code 작성 (Source.java)

개발자가 자바 프로그래밍 언어로 .java 파일을 작성합니다.
코드에는 클래스와 메서드, 변수 등을 선언하며, 자바 표준 문법에 맞춰 작성해야 합니다.

public class HelloWorld {
public static void main(String[] args) {
System.out.println("Hello, World!");
}
}

2. Compilation (컴파일 단계)

• 자바 컴파일러(javac)가 소스 코드(Source.java)를 바이트코드로 변환합니다.
• 바이트코드는 .class 파일로 저장되며, 이 파일은 플랫폼 독립적인 중간 코드입니다.
• 바이트코드는 개발자가 읽을 수 있는 형태가 아니라, JVM이 해석 가능한 명령어들로 구성되어 있습니다.

컴파일 과정 예:

bash
javac HelloWorld.java

이 명령은 HelloWorld.class라는 바이트코드 파일을 생성합니다.

3. Class Loader (클래스 로더)

JVM이 실행될 때, 필요에 따라 .class 파일을 메모리에 로드하는 역할을 합니다.
주요 기능:

• 로딩 (Loading): 프로그램 실행 시 필요한 .class 파일을 JVM에 로드.
• 연결 (Linking): 클래스 간의 참조를 검증하고 링크를 설정.
  예: 메서드 호출 시 어떤 클래스의 메서드인지 확인.
• 초기화 (Initialization): 정적 변수 및 정적 초기화 블록을 실행.
  클래스 로더는 필요한 클래스만 로드하며, 프로그램이 실행 중일 때도 동적으로 로드할 수 있습니다.

4. Runtime Data Area (런타임 데이터 영역)

• JVM이 실행 중에 사용하는 메모리 영역으로, 여러 하위 영역으로 나뉩니다:

Static Area (정적 영역):

• 클래스 메타데이터(클래스 이름, 메서드 정보, 정적 변수 등)를 저장합니다.
• 프로그램 내 모든 스레드에서 공유됩니다.

Heap (힙):

• 모든 객체와 인스턴스 변수가 저장됩니다.
• 가비지 컬렉터가 불필요한 객체를 정리하여 메모리 관리를 담당합니다.

Stack (스택):

• 각 스레드마다 별도로 생성됩니다.
• 메서드 호출 시 생성되는 지역 변수와 메서드 매개변수가 저장됩니다.
• 스택은 LIFO(Last In, First Out) 구조로 동작합니다.

PC Register (프로그램 카운터):

• 각 스레드가 실행 중인 명령의 주소를 저장합니다.
• JVM이 여러 스레드를 관리할 때 사용됩니다.

Native Method Stack (네이티브 메서드 스택):

• 네이티브 코드(C, C++ 등)를 실행할 때 사용됩니다.
• 예: 운영 체제와 직접 상호작용.

5. Execution Engine (실행 엔진)

• JVM 내에서 바이트코드를 실제 실행하는 핵심 구성 요소입니다.
  작동 방식:

인터프리터 (Interpreter):

• 바이트코드를 한 줄씩 읽고 실행합니다.
• 간단하지만, 실행 속도가 느립니다.

JIT 컴파일러 (Just-In-Time Compiler):

• 자주 실행되는 코드(Hotspot)를 네이티브 코드로 변환하여 속도를 높입니다.
• 네이티브 코드로 변환된 코드는 JVM 없이도 실행 가능.
• 실행 엔진은 인터프리터와 JIT 컴파일러를 병행하여 성능을 최적화합니다.

6. Garbage Collector (GC)

JVM 내 힙 영역에서 더 이상 참조되지 않는 객체를 자동으로 정리합니다.
주요 특징:

• 개발자가 직접 메모리를 해제할 필요가 없습니다.
• 다양한 GC 알고리즘(Generational GC, G1 GC 등)을 통해 성능 최적화.

  String unused = new String("Garbage");
  unused = null; // 참조를 해제하면 GC가 메모리를 정리

7. Native Method

• JVM이 자바 외부의 네이티브 코드와 상호작용해야 할 때 사용됩니다.
• 예를 들어, 운영 체제 함수 호출, 네이티브 라이브러리(C, C++ 등) 호출 등이 포함됩니다.
• 자바는 JNI(Java Native Interface)를 통해 네이티브 코드를 호출할 수 있습니다.

전체 과정의 흐름 요약

1. 개발자는 .java 소스 파일을 작성합니다.
2. 자바 컴파일러(javac)가 .java 파일을 .class 바이트코드로 변환합니다.
3. JVM의 클래스 로더가 .class 파일을 메모리에 로드합니다.
4. 실행 엔진이 바이트코드를 실행하며, 필요한 메모리를 런타임 데이터 영역에서 관리합니다.
5. 가비지 컬렉터가 불필요한 객체를 정리하여 메모리 누수를 방지합니다.
   JVM의 각 단계는 자바 프로그램이 플랫폼 독립성과 안정성을 유지하며 동작할 수 있도록 지원합니다.