[Java] 자바 가상 머신 (JVM, Java Virtual Machine)

 

JVM과 그 역할

 

JVM(Java Virtual Machine)은 자바 프로그램이 어느 기기나 운영체제 상에서도 실행될 수 있도록 하기 위해 물리적 머신과 유사한 머신을 소프트웨어로 구현한 것으로, 다양한 역할을 한다. 개발자들은 보통 JVM을 '어떤 기기상에서 실행되고 있는 프로세스, 특히 자바 앱에 대한 리소스를 대표하고 통제하는 서버' 라고 말한다.

 

JVM의 역할

• Java와 OS사이에서 중개자 역할을 수행하여, Java가 OS에 구애받지 않고 독립적으로 작동 가능하도록 한다
• 자바 애플리케이션을 클래스 로더를 통해 읽어들여 자바 API와 함께 실행한다
• 메모리 관리와 Garbage Collection을 수행한다

 

 

 

JVM의 구조와 작동 원리

 

JVM의 구조

• Java Compiler (JAVAC)
  • 자바 소스코드(.java)를 바이트 코드(.class)로 변환시켜준다
• Class Loader
  • Class 파일을 Runtime Data Area의 메서드 영역으로 불러오는 역할
  • 동적 로드를 담당한다
• Execution Engine
  • 바이트 코드(.class 파일)를 실행 가능하도록 해석한다
• Garbage Collector
  • 메모리 관리 기법중 하나로, Heap 영역에 배치된 객체들을 관리하는 모듈이다
  • 자바 프로그램에서 사용되지 않는 메모리를 지속적으로 찾아내서 제거하는 역할을 한다
• Runtime Data Area
  • 런타임 시 Class 데이터와 같은 메타 데이터와 실제 데이터가 저장되는 곳
  • 간단하게 말해, 프로그램을 수행하기 위해 OS로부터 할당받은 메모리 영역을 의미한다
  • MetaSpace(Method Area), Heap, PC Register, JVM Stack, Native Method Stack 가 존재한다

출처 : https://asfirstalways.tistory.com/158

 

 

Java 프로그램 실행 과정

1. 프로그램이 실행되면 JVM은 OS로부터 메모리를 할당받는다. JVM은 할당받은 메모리를 용도에 따라 여러 영역으로 나누어서 관리한다
2. Java Compiler가 자바 소스코드(.java)를 읽고 바이트코드(.class)로 변환시킨다
3. 클래스 로더가 바이트코드(.class)들을 JVM 메모리 영역으로 로딩한다
4. 로딩된 class 파일들은 Execution Engine을 통해 실행 가능하도록 해석된다
5. 해석된 바이트 코드는 메모리 영역에 배치되어 실질적인 수행이 이루어진다. 이러한 실행 과정에서 JVM은 필요에 따라 스레드 동기화나 가비지 컬렉션 같은 메모리 관리 작업을 수행한다

출처: https://gyoogle.dev/blog/computer-language/Java/Java%20Virtual%20Machine.html

 

 

 

Runtime Data Area

 

JVM이 OS에서 실행되면서 할당받은 메모리 영역이다. PC 레지스터, JVM 스택, 네이티브 메서드 스택, 힙, 메서드 영역 총 5가지로 나뉘고, 이중에서 힙과 메서드 영역은 모든 스레드가 공유해서 사용한다

• PC Register
  • Thread가 어떤 명령을 실행해야 할지 기록하는 부분이다
  • JVM은 스택 기반의 가상 머신으로, CPU에 직접 접근하지 않고 Stack에서 주소를 뽑아서 가져와서 PC Register에 저장한다
• Stack Area
  • 메서드 정보, 파라미터, 지역변수, 리턴 값 및 연산 값, 임시 데이터 등이 저장되는 영역이다
  • 프로그램 실행 시 임시로 할당되었다가, 메서드를 빠져나가면 소멸되는 특성의 데이터들이 저장된다
  • 메서드 호출 시마다 스택에 각각의 스택 프레임이 생성되고, 수행이 끝나면 스택 포인트에서 해당 프레임을 제거한다
• Native Method Stack
  • JVM이 컴파일하여 생성된 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 저장된다
  • 일반 프로그램처럼, Kernel이 스택을 생성하여 독자적으로 프로그램을 실행시킨다
• Heap
  • 런타임에 동적으로 할당되는 데이터가 저장되는 영역이다
  • 객체(인스턴스)나 배열 생성이 해당된다
  • 단, Reference 변수(참조변수)의 경우, Heap에 인스턴스가 저장되는 것이 아닌 포인터가 저장된다
  • GC(가비지 컬렉션)의 대상이 되는 영역으로, JVM 성능 이슈에서 가장 많이 언급되는 공간이다
• Metaspace
  • class area, static area라고도 말한다
  • Java 7 이전의 'PermGen Area(Method Area는 PermGen 내부에 위치한다)'가 Java 8 이후에 Metaspace로 바뀌었다
  • 클래스 정보를 처음 메모리에 올릴 때, 초기화되는 대상을 저장하기 위한 영역이다
  • JVM이 시작될 때 생성되고, JVM이 읽은 각각의 Class와 Interface에 대한 런타임 상수 풀, 필드, 메서드 코드, 정적 변수, 메서드의 바이트 코드 등을 보관한다
  • 올라가는 정보
    
    • Field Information : 멤버 변수에 대한 정보 (이름, 타입, 접근 지정자 등)
    • Method Information : 메서드에 대한 정보 (이름, 리턴 타입, 파라미터, 접근 지정자 등)
    • Type Information : Type에 대한 정보 (파일의 Type 속성, 이름, super class의 이름 등)
    • Runtime Constant Pool

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Reference

• 자바 가상 머신(Java Virtual Machine): https://gyoogle.dev/blog/computer-language/Java/Java%20Virtual%20Machine.html

[Java] 자바 가상 머신(Java Virtual Machine) | 👨🏻‍💻 Tech Interview

• JVM이란?: https://backendcode.tistory.com/161

[IT 기술 면접] JVM (자바 가상 머신) 이란?

• 자바가상머신, JVM이란 무엇인가?: https://asfirstalways.tistory.com/158

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