JVM이란 무엇인가

JVM이란?

JVM이란 Java Virtual Machine, 자바 가상 머신의 약어이다. (가상머신이란 프로그램을 실행하기 위해 물리적 머신과 유사한 머신을 소프트웨어로 구현한 것이다.) JVM의 역할은 자바 애플리케이션을 클래스 로더를 통해 읽어들여 자바 API와 함께 실행하는 것이다. 그리고 JVM은 Java와 OS 사이에서 중개자 역할을 수행하여 Java가 OS에 구애받지 않고 재사용을 가능하게 해준다. 그리고 가장 중요한 메모리관리, Garbage collection을 수행한다. 그리고 JVM은 스택 기반의 가상머신이다. ARM 아키텍쳐 같은 하드웨어는 레지스터 기반으로 동작하는 데 비해 JVM은 스택 기반으로 동작한다.

 

JVM(자바 가상 머신)을 알아야 하는 이유는, 한정된 메모리를 효율적으로 사용하여 최고의 성능을 내기 위해서라고 볼 수 있다. 메모리 효율성을 위해 메모리 구조를 알아야 하기 때문이다. 동일한 기능의 프로그램이더라도 메모리 관리에 따라 성능이 좌우된다. 메모리 관리가 되지 않은 경우 속도저하 현상이나 튕김 현상 등이 일어날 수 있다.

 

자바 프로그램 실행과정

1. 프로그램이 실행되면 JVM은 OS로부터 이 프로그램이 필요로 하는 메모리를 할당 받는다. JVM은 이 메모리를 용도에 따라 여러 영역으로 나누어 관리한다.
2. 자바 컴파일러(javac)가 자바 소스코드(.java)를 읽어들여 자바 바이트코드(.class)로 변환시킨다.
3. Class Loader를 통해 class 파일들을 JVM으로 로딩한다.
4. 로딩된 class 파일들은 Execution engine을 통해 해석된다.
5. 해석된 바이트코드는 Runtime Data Areas 에 배치되어 실질적인 수행이 이루어지게 된다. 이러한 실행과정 속에서 JVM은 필요에 따라 Thread Synchronization과 GC 같은 관리작업을 수행한다.

 

JVM 구성

 

● Class Loader (클래스 로더)

JVM 내로 클래스(class 파일)를 로드하고, 링크를 통해 배치하는 작업을 수행하는 모듈이다. Runtime 시에 동적으로 클래스를 로드한다. jar 파일 내 저장된 클래스들을 JVM 위에 탑재하고 사용하지 않는 클래스들은 메모리에서 삭제한다. (컴파일러 역할) 자바는 동적 코드, 컴파일 타임이 아니라 런타임에 참조한다. 즉, 클래스를 처음으로 참조할 때, 해당 클래스를 로드하고 링크한다는 것이다. 그 역할을 클래스 로더가 수행한다.

 

● Execution Engine (실행 엔진)

클래스를 실행시키는 역할이다. 클래스 로더가 JVM 내의 런타임 데이터 영역에 바이트 코드를 배치시키고, 이것은 실행엔진에 의해 실행된다. 자바 바이트코드는 기계가 바로 수행할 수 있는 언어보다는 비교적 인간이 보기 편한 형태로 기술된 것이다. 그래서 실행 엔진은 이와 같은 바이트코드를 실제로 JVM 내부에서 기계가 실행할 수 있는 형태로 변경한다. 이때 두 가지 방식을 사용하게 된다.

 

● Interpreter (인터프리터)

인터프리터 방식의 단점을 보완하기 위해 도입된 JIT 컴파일러이다. 인터프리터 방식으로 실행하다가 적절한 시점에 바이트코드 전에를 컴파일하여 네이티브 코드로 변경하고, 이후에는 더이상 인터프리팅 하지 않고 네이티브 코드로 직접 실행하는 방식이다. 네이티브 코드는 캐시에 보관하기 때문에 한 번 컴파일된 코드는 빠르게 수행하게 된다. 물론 JIT 컴파일러가 컴파일하는 과정은 바이트코드를 인터프리팅하는 것보다 훨씬 오래 걸리므로 한 번만 실행되는 코드라면 컴파일하지 않고 인터프리팅하는 것이 유리하다. 따라서 JIT 컴파일러를 사용하는 JVM들은 내부적으로 해당 메서드가 얼마나 자주 수행되는지 체크하고, 일정 정도를 넘을 때에만 컴파일을 수행한다.

 

● Garbage Collector

GC를 수행하는 모듈 (쓰레드)이 있다.

 

Runtime Data Area

프로그램을 수행하기 위해 OS에서 할당 받은 메모리 공간

1) PC Register

Thread 가 시작될 때 생성되며 생성될 때마다 생성되는 공간으로 스레드마다 하나씩 존재한다. Thread 가 어떤 명령으로 실행해야할 지에 대한 기록을 하는 부분으로 현재 수정 중인 JVM 명령의 주소를 갖는다.

 

2) JVM 스택 영역

프로그램 실행과정에서 임시로 할당되었다가 메소드를 빠져나가면 바로 소멸되는 특성의 데이터를 저장하기 위한 영역이다. 각종 형태의 변수나 임시 데이터, 스레드나 메소드의 정보를 저장한다. 메소드 호출 시마다 각각의 스택 프레임(그 메서드만을 위한 공간)이 생성된다. 메서드 수행이 끝나면 프레임 별로 삭제를 한다. 메소드 안에서 사용되는 값들(local variable)을 저장한다. 또 호출된 메소드의 매개변수, 지역변수, 리턴 값 및 연산 시 일어나는 값들을 임시로 저장한다.

 

3) Native Method Stack

자바 프로그램이 컴파일 되어 생성되는 바이트 코드가 아닌 실제 실행할 수 있는 기계어로 작성된 프로그램을 실행시키는 영역이다. Java가 아닌 다른 언어로 작성된 코드를 위한 공간이다. Java Native Interface를 통해 바이트 코드로 전환하여 저장하게 된다. 일반 프로그램처럼 커널이 스택을 잡아 독자적으로 프로그램을 실행시키는 영역이다. 이 부분을 통해 C code를 실행시켜 Kernel에 접근할 수 있다.

 

4) Method Area (= Class area = Static area)

클래스 정보를 처음 메모리 공간에 올릴 때 초기화되는 대상을 저장하기 위한 메모리 공간. 올라가게 되는 메소드의 바이트 코드는 프로그램의 흐름을 구성하는 바이트 코드이다. 자바 프로그램은 main 메소드의 호출에서부터 계속된 메소드의 호출로 흐름을 이어가기 때문이다. 대부분 인스턴스의 생성도 메소드 내에서 명령하고 호출한다. 사실상 컴파일 된 바이트코드의 대부분이 메소드 바이트코드이기 때문에 거의 모든 바이트코드가 올라간다고 봐도 상관없다. 이 공간에는 Runtime Constant Pool이라는 별도의 관리 영역도 함께 존재한다. 이는 상수 자료형을 저장하여 참조하고 중복을 막는 역할을 수행한다.

 

5) Heap (힙 영역)

객체를 저장하는 가상 메모리 공간이다. new 연산자로 생성된 객체와 배열을 저장한다. 물론 class area 영역에 올라온 클래스들만 객체로 생성할 수 있다. 힙은 세 부분으로 나눌 수 있다.

 

 

 

 

 

[참고문헌]

https://asfirstalways.tistory.com/158