💻 [Theory] JVM(Java Virtual Machine)의 구조

안녕하세요. 👋

오늘은 JVM(Java Virtual Machine)의 구조에 대해 알아보겠습니다.

JVM(Java Virtual Machine) 이란?

JVM 이란 자바 가상 머신으로 Java 바이트 코드를 실행할 수 있는 주체이다.

특히나 CPU나 운영체제(플랫폼)의 종류와 무관하게 실행이 가능하다. -> 자바를 사용하는 이유이자 장점에 해당한다.

즉, 운영체제 위에서 동작하는 프로세스로 자바 코드를 컴파일해서 얻은 바이트 코드를 해당 운영체제가 이해할 수 있는 기계어로 바꿔 실행시켜주는 역할을 한다.

JVM의 구성을 살펴보면 크게 4가지(Class Loader, Execution Engine, Garbage Collector, Runtime Data Area)로 나뉜다.

1. Class Loader (클래스 로더)

자바에서 소스를 작성하면 Person.java 처럼 .java 파일이 생성된다.

.java 소스를 자바컴파일러가 컴파일하면 Person.class 같은 .class파일(바이트코드)이 생성된다.

이렇게 생성된 클래스 파일들을 분석한 뒤에 JVM이 운영체제로부터 할당받은 메모리영역인

Runtime Data Area로 적재하는 역할(런타임 시 동적 로딩)을 Class Loader가 한다.

※자바 애플리케이션이 실행중일 때 이런 작업이 수행된다.

1. Execution Engine (실행 엔진)

Class Loader에 의해 메모리에 적재된 클래스(바이트 코드)들을 기계어로 변경해 명령어 단위로 실행하는 역할을 한다.

명령어를 하나 하나 실행하는 인터프리터(Interpreter)방식이 있고 JIT(Just-In-Time) 컴파일러를 이용하는 방식이 있다.

JIT 컴파일러는 적절한 시간에 전체 바이트 코드를 네이티브 코드로 변경해서 Execution Engine이 네이티브로 컴파일된 코드를 실행하는 것으로 성능을 높이는 방식이다.

• 인터프리터 방식 : 명령어를 하나씩 수행(기본적인 방식. 전체 수행은 느리나 명령어 하나씩의 동작은 빠름)
• JIT(Just In Time compiler)방식 : 전체 바이트 코드를 네이티브 코드로 변환하고 그 이후에는 인터프리팅하지 않고 네이티브 코드 상태로 실행(전체적인 동작은 빠르나 컴파일하는데 상당 시간 소요)

최초의 가상 머신은 인터프리터 방식만 써서 실행 속도가 느렸지만, JIT 컴파일 방식을 추가하여 이를 보완하고자 했다. 그런데 JIT 컴파일은 바이트코드를 기계어로 바꾸기 때문에 실행 속도가 빠르지만 변환하는 데 비용이 발생하게 된다. 그래서 인터프리터 방식을 사용하다가 일정한 기준이 넘어가면 JIT 컴파일 방식으로 실행한다.

1. Garbage Collector (가비지 컬렉터)

Garbage Collector(GC)는 Heap 메모리 영역에 생성(적재)된 객체들 중에 참조되지 않는 객체들을 탐색 후 제거하는 역할을 한다.

GC가 역할을 하는 시간은 정확히 언제인지를 알 수 없다. (참조가 없어지자마자 해제되는 것을 보장하지 않음)

또 다른 특징은 GC가 수행되는 동안 GC를 수행하는 쓰레드가 아닌 다른 모든 쓰레드가 일시정지된다.

특히 Full GC가 일어나서 수 초간 모든 쓰레드가 정지한다면 장애로 이어지는 치명적인 문제가 생길 수 있는 것이다.

내용이 많고 중요한 부분이므로 다음 포스트에서 더 자세히 다뤄보자

1. Runtime Data Area (런타임 데이터 영역)

JVM의 메모리 영역으로 자바 애플리케이션을 실행할 때 사용되는 데이터들을 적재하는 영역이다.

이 영역은 크게 Method Area, Heap Area, Stack Area, PC Register, Native Method Stack로 나눌 수 있다.

##자바 런타임 메모리(Runtime Data area) 구조

1.Method area (메소드 영역)

클래스 멤버 변수의 이름, 데이터 타입, 접근 제어자 정보같은 필드 정보와 메소드의 이름, 리턴 타입, 파라미터, 접근 제어자 정보같은 메소드 정보,

Type정보(Interface인지 class인지), Constant Pool(상수 풀 : 문자 상수, 타입, 필드, 객체 참조가 저장됨), static 변수, final class 변수등이 생성되는 영역이다.

클래스에 대한 정보와 함께 클래스 변수(static variable)가 저장되는 영역.
JVM은 자바 프로그램에서 특정 클래스가 사용되면 해당 클래스의 클래스 파일(*.class)을 읽어들여, 클래스에 대한 정보를 메소드 영역에 저장한다.
Class area (클래스 영역)이라고도 한다.

2.Heap area (힙 영역)

런타임 시 결정되는 참조형 데이터타입이 저장되는 공간,

new 키워드로 생성된 객체와 배열이 생성되는 영역이다.

메소드 영역에 로드된 클래스만 생성이 가능하고 Garbage Collector가 참조되지 않는 메모리를 확인하고 제거하는 영역이다.

3.Stack area (스택 영역)

컴파일 시 결정되는 기본형 데이터타입이 저장되는 공간,

지역 변수, 파라미터, 리턴 값, 연산에 사용되는 임시 값등이 생성되는 영역이다.

int a = 10; 이라는 소스를 작성했다면 정수값이 할당될 수 있는 메모리공간을 a라고 잡아두고 그 메모리 영역에 값이 10이 들어간다. 즉, 스택에 메모리에 이름이 a라고 붙여주고 값이 10인 메모리 공간을 만든다.

클래스 Person p = new Person(); 이라는 소스를 작성했다면 Person p는 스택 영역에 생성되고 new로 생성된 Person 클래스의 인스턴스는 힙 영역에 생성된다.

그리고 스택영역에 생성된 p의 값으로 힙 영역의 주소값을 가지고 있다. 즉, 스택 영역에 생성된 p가 힙 영역에 생성된 객체를 가리키고(참조하고) 있는 것이다.

메소드를 호출할 때마다 개별적으로 스택이 생성된다.

4.PC Register (PC 레지스터)

Thread(쓰레드)가 생성될 때마다 생성되는 영역으로 Program Counter 즉, 현재 쓰레드가 실행되는 부분의 주소와 명령을 저장하고 있는 영역이다. (*CPU의 레지스터와 다름)

이것을 이용해서 쓰레드를 돌아가면서 수행할 수 있게 한다.

5.Native method stack

자바 외 언어로 작성된 네이티브 코드를 위한 메모리 영역이다.

보통 C/C++등의 코드를 수행하기 위한 스택이다.

Java Native Interface를 통해 바이트코드로 변환됨

쓰레드가 생성되었을 때 기준으로

1,2번인 메소드 영역과 힙 영역을 모든 쓰레드가 공유하고,

3,4,5번인 스택 영역과 PC 레지스터, Native method stack은 각각의 쓰레드마다 생성되고 공유되지 않는다.

끝

자바의 핵심 JVM의 구조에 대해 알아보았습니다.

Reference

https://jeong-pro.tistory.com/148

https://gbsb.tistory.com/2