JVM 구조와 자바의 실행방식

 

JVM이란 ?

JVM(Java Virtual Machine)이란 스택 기반의 자바 가상 머신으로 컴파일러를 통해 바이트 코드로 변환된 자바 애플리케이션 파일을 클래스 로더를 통해 읽어 자바 API와 함께 실행하는 것으로 자바 프로그램 실행환경을 만들어 주는 소프트웨어을 수행한다. 자바 코드를 컴파일하여 .class 바이트 코드로 만들면 코드가 자바 가상 머신 환경에서 실행된다. JVM은 자바 실행 환경 JRE(Java Runtime Environment)에 포함되어 있습니다 .다른 하드웨어와 다르게 레지스터 기반이 아닌 스택 기반으로 동작한다. 

 

JVM을 사용함으로서 하나의 바이트 코드(.class)로 플랫폼에 영향받지 않고 모든 플랫폼에서 동작하도록 할 수 있다. 만약 C / C++에서는 컴파일 플랫폼과 타겟 플랫폼이 다를 경우에는 환경을 타겟으로 크로스 컴파일을 해서 해당 운영체제에 맞는 실행 파일을 새로 만들어야 한다. 반면에 자바의 경우에는 소스코드를 이용해 자바 컴파일러가 바이트코드로 변환하고 바이트 코드는 각자의 플랫폼에 설치되어 있는 자바 가상 머신(JVM)이 운영체제에 맞는 실행 파일로 바꿔준다. 즉, Java에서는 C언어와는 달리 JVM을 사용하기 때문에하나의 바이트 코드로 JVM이 설치되어 있는 모든 플랫폼에서 동작이 가능하다. 

 

자바는 플랫폼에서 독립적이지만 자바 가상 머신(JVM)은 플랫폼에 의존적이다. 자바로 작성된 모든 프로그램은 자바 가상 머신에서만 실행될 수 있으므로, 자바 프로그램을 실행하기 위해서는 반드시 자바 가상 머신이 설치되어 있어야 하므로 윈도우 및 리눅스, 맥 등 운영환경에 따라 운영체제에 맞는 JVM 설치가 이루어져야 한다. 

 

 

 

 

 

 

JVM의 구조 

https://medium.com/java-for-beginners/understanding-java-virtual-machine-jvm-architecture-e68d1c611026

 

 

• 클래스 로더 (Class Loader)
  • 자바는 동적으로 클래스를 읽어 프로그램이 실행 중인 런타임에서야 모든 코드가 자바 가상 머신과 연결
  • 런타임 시에 동적으로 클래스를 로딩해주는 역할
  • 자바에서 소스를 작성하면 .java파일이 생성되고 .java소스를 컴파일러가 컴파일하면 .class파일이 생성되는데 클래스 로더는 .class 파일을 묶어서 JVM이 운영체제로부터 할당받은 메모리 영역인 Runtime Data Area로 적재
  • 클래스 로더 세부 동작 
    • 로드 : 클래스 파일을 가져와서 JVM의 메모리에 로드합니다.
    • 검증 : 자바 언어 명세(Java Language Specification) 및 JVM 명세에 명시된 대로 구성되어 있는지 검사합니다.
    • 준비 : 클래스가 필요로 하는 메모리를 할당합니다. (필드, 메서드, 인터페이스 등등)
    • 분석 : 클래스의 상수 풀 내 모든 심볼릭 레퍼런스를 다이렉트 레퍼런스로 변경합니다.
    • 초기화 : 클래스 변수들을 적절한 값으로 초기화합니다. (static 필드)

실행 엔진 (Execution Engine)

• Runtime Data Area의 Method Area로부터 배치된 바이트 코드의 클래스 받음
• 제공받은 내용대로 바이트 코드를 명령어 단위로 읽어서 실행
• 로드된 바이트코드를 실행하는 런타임 모듈
•  최초 JVM이 나왔을 당시에는 인터프리터 방식이었기때문에 속도가 느리다는 단점이 있었지만 JIT 컴파일러 방식을 통해 이 점을 보완
• JIT는 바이트 코드를 어셈블러 같은 네이티브 코드로 바꿈으로써 실행이 빠르지만 변환 비용이 발생
• 따라서 JVM은 모든 코드를 JIT 컴파일러 방식으로 실행하지 않고, 인터프리터 방식을 사용하다가 일정한 기준이 넘어가면 JIT 컴파일러 방식으로 실행

 

여기서 2번은 수거 대상

https://www.youtube.com/watch?v=Fe3TVCEJhzo&ab_channel=%EC%9A%B0%EC%95%84%ED%95%9CTech

• 가비지 컬렉터(Garbage Collector)
  • 더이상 사용되지 않는 메모리를 자동으로 회수(개발자가 따로 메모리를 관리하지 않아도 됨)
  • Heap 메모리 영역에 생성(적재)된 객체들 중에 참조되지 않은 객체들을 탐색 후(Mark) 제거(Sweep)하는 역할
  • 해당 역할을 하는 시간은 정확히 알수 없음
  • GC역할을 수행하는 스레드를 제외한 나머지 모든 스레드들은 일시정지상태(Stop-the-worl)가 됨.

 

• 런타임 데이터 영역(Runtime Data Area)
  • JVM의 메모리 영역으로 자바 애플리케이션을 실행할 때 사용되는 데이터들을 적재
  • 메서드 영역 (Method Area)
    • 클래스 멤버 변수의 이름, 데이터 타입, 접근 제어자 정보 등의 필드 정보와 메서드 정보, 데이터 Type 정보, Constant Pool, static변수, final class 등이 생성되는 영역
  • 힙 영역 (Heap Area)
    • new 키워드로 생성된 객체와 배열이 생성되는 영역
    • 주기적으로 GC가 제거하는 영역입니다.
    • Heap 영역은 3가지의 영역으로 나뉨
      • Young Generation 영역
        • 자바 객체가 생성되자마자 저장되고, 생긴지 얼마 안되는 객체가 저장되는 공간
        • Heap 영역에 객체가 생성되면 최초로 Eden 영역에 할당 그리고
        • Eden 영역에 데이터가 어느정도 쌓이게 되면 참조정도에 따라 Servivor의 빈 공간으로 이동되거나 회수
        • Young Generation(Eden+Servivor) 영역이 차게 되면 또 참조정도에 따라 Old영역으로 이동 되게 되거나 회수
        • Young Generation + Tenured Generation 에서의 GC = Minor GC
      • Old 영역
        • Old영역에 할당된 메모리가 허용치를 넘게 되면, Old 영역에 있는 모든 객체들을 검사하여 참조되지 않는 객체들을 한꺼번에 삭제하는 GC가 실행 -> 시간이 오래 걸림
        • Stop-the-World' : 시간이 오래걸리는 GC를 실행하는 쓰레드를 제외한 모든 스레드는 작업을 멈춤
        • Old영역의 메모리를 회수하는 GC =  Major GC
  • 스택 영역 (Stack Area)
    • 지역변수, 파라미터, 리턴 값, 연산에 사용되는 임시 값 등이 생성되는 영역
    • 메서드 호출 시마다 각각의 스택 프레임(그 메서드만을 위한 공간)이 생성
    • 메서드 안에서 사용되는 값들을 저장
    • 호출된 메서드의 매개변수, 지역변수, 리턴 값 및 연산 시 일어나는 값들을 임시로 저장
    • 메서드 수행이 끝나면 프레임별로 삭제
  • PC 레지스터 (PC Register)
    • Thread가 시작될 때 생성될 때마다 생성되는 영역
    • 쓰레드마다 하나씩 존재
    • 프로그램 카운터, 즉 현재 스레드가 실행되는 부분의 JVM 명령 주소와 명령을 저장하고 있는 영역
  • 네이티브 메서드 스택 (Native Method Stack)
    • 자바 외 언어로 작성된 네이티브 코드 실생시 사용되는 메모리 영역(Stack)
    • 즉, JNI(Java Native Interface)를 통해 호출되는 C/C++ 등의 코드를 수행하기 위한 스택 <-> 자바 컴파일러에 의해 변환된 자바 바이트 코드를 읽고 해석하는 역할을 하는 자바 인터프리터(interpreter)
    • 네이티브 메소드의 매개변수, 지역변수 등을 바이트 코드로 저장한다.

 

 

모든 스레드가 공유해서 사용 (GC의 대상)

• 힙 영역 (Heap Area)
• 메서드 영역(Method Area)

스레드(Thread) 마다 하나씩 생성

• 스택 영역(Stack Area)
• PC 레지스터 (PC Register)
• 네이티브 메서드 스택(Native Method Stack)

 

JVM 실행 과정 

1. 자바로 개발된 프로그램을 실행
2. JVM은 OS로부터 메모리를 할당
3. 자바 컴파일러(javac)가 자바 소스코드(.java)를 자바 바이트코드(.class)로 컴파일
4. Class Loader를 통해 JVM Runtime Data Area로 로딩
5. Runtime Data Area에 로딩 된 .class들은 Execution Engine(interpreter)을 통해 해석
6. 해석된 바이트 코드는 Runtime Data Area의 각 영역에 배치되어 수행하며 이 과정에서 Execution Engine에 의해 GC의 작동과 스레드 동기화 실행 

 

 

 

(참고한 사이트)

https://coding-factory.tistory.com/827

[Java] 자바 가상머신 JVM(Java Virtual Machine) 총정리

https://coding-factory.tistory.com/828#:~:text=%EC%9E%90%EB%B0%94%20%EA%B0%80%EC%83%81%20%EB%A8%B8%EC%8B%A0(JVM)%EC%9D%98,.class)%EB%A1%9C%20%EC%BB%B4%ED%8C%8C%EC%9D%BC%ED%95%A9%EB%8B%88%EB%8B%A4.

[Java] 자바 JVM 내부 구조와 메모리 구조에 대하여

https://asfirstalways.tistory.com/158

#자바가상머신, JVM(Java Virtual Machine)이란 무엇인가?