JVM 에 대해서

자바 가상머신, JVM

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JVM 이란?

자바 가상머신( 가상머시닝란 프로그램을 실행하기 위해 물리적 머신과 유사한 머신을 소프트 웨어로 구현한 것이다.) JVM 의 역할은 자바 애플리케이션을 클래스 로더를 통해 읽어들여 자바 api 와 함께 실행하는 것이다. JVM 은 JAVA 와 OS 사이에서 중개자역할을 수행해, JAVA 가 OS 에 구애받지 않고 재사용가능하게 해준다. 또한, 가장 중요한 메모리 관리, garbage collection 을 수행한다. 그리고, JVM 은 스택 기반의 가상머신이다. ARM 아키텍쳐같은 하드웨어는 레지스터 기반으로 동작하는데 반해, JVM 은 스택 기반으로 동작한다.

왜 자바 가상머신을 알아야하는가?

한정된 메모리를 효율적으로 사용해 최고의 성능을 내기 위해서이다. 메모리 효율성을 이해 메모리 구조를 알아야하기 때문이다. 동일한 기능의 프로그램이여도 메모리 관리에 따라 성능이 좌우된다. 메모리 관리가 되지 않은 경우, 속도 저하 현상이나 튕김현상 등이 일어날 수 있다. 그래서 알아야한다.

자바프로그램 실행과정

1. 프로그램이 실행되면, JVM 은 OS 로 부터 이 프로그램이 필요로 하는 메모리를 할당받는다. JVM 은 이 메모리를 용도에 따라 여러 영역으로 나눠 관리한다.
2. 자바 컴파일러(javac)가 자바 소스코드(.java)를 읽어들여 자바 바이트코드(.class)로 변환시킨다.
3. Class Loader 을 통해 class 파일들을 JVM 으로 로딩한다.
4. 로딩된 class 파일들은 Execution Engine 을 통해 해석된다.
5. 해석된 바이트코드는 RunTime Data Areas 에 배치되어 실질적인 수행이 이뤄지게 된다. 이러한 실행 과정 속에서 JVM 은 필요에 따라 Thread Synchronization 과 GC같은 관리 작업을 수행한다.

JVM 구성

Class Loader (클래스 로더)

JVM 내로 클래스를 로드하고, 링크를 통해 배치하는 작업을 수행하는 모듈이다. RunTime 시에 동적으로 클래스를 로드한다. .jar 파일 내 저장된 클래스들을 JVM 위에 탑재하고, 사용하지 않는 클래스는 메모리에서 삭제한다. (컴파일러 역할) 자바는 동적코드, 컴파일 타임이 아니라, 런타임에 참조한다. 즉, 클래스를 처음으로 창조할 때, 해당클래스를 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 언어보다 비교적 인간이 보기 편한 형태로 기술된 것이다. 그래서 실행 엔진은 이와 같은 바이트코드를 실제로 JVM 내에서 기계가 실행할 수 있는 형태로 변경한다. 이 때, 두 가지 방식을 사용하게 된다.

• Intrepreter( 인터프리터)
  • 실행 엔진은 자바 바이트 코드를 명령어 단위로 읽어서 실행한다. 하지만, 이 방식은 인터프리터 언어의 단점, 즉, 한 줄씩 수행하기에 느리다는 단점이 있다.
• JIT(Just In Time)
  • 인터프리터 방식의 단점을 보완하기 위해 도입된 JIT 컴파일러이다. 인터프리터 방식으로 실행하다가, 적절한 시점에 바이트 코드 전체를 컴파일하여 네이티브 코드로 변경하고, 이후에는 해당 더 이상 인터프리팅하지 않고 네이티브 코드로 직접 실행하는 방식이다. 네이티브 코드는 캐시에 보관하기 때문에, 한 번 컴파일 된 코드는 빠르게 수행하게된다. 물론, JIT 컴파일러가 컴파일 하는 과정은 바이트 코드를 인터프리팅하는 것보다 훨씬 오래걸리니까 한 번만 실행될 코드라면, 컴파일 안하고 인터프리팅을 한다. 따라서, JIT 컴파일러를 사용하는 JVM 들은 내부적으로 해당 메서드가 얼마나 자주 수행되는지 체크하고 , 일정 수준 이상에서 컴파일을 수행한다.

Garbage Collector

GC 를 수행하는 모듈(쓰레드)이다.

Runtime Data Area

프로그램을 수행하기위해 os 에서 할당받은 메모리 공간

PC register

Thread가 시작될 때 생성되고, 생성될 때마다 생성되는 공간으로 스레드마다 하나씩 존재한다. 스레드가 어떤 부분을 어떤 명령으로 실행할 지에 대한 기록을 하는 부분으로 현재 수행중인 JVM 명령의 주소를 가진다.

JVM 스택영역

프로그램 실행과정에서 임시로 할당되었다가 메소드를 빠져나가면, 바로 소멸되는 특성의 데이터를 저장하기위한 영역이다. 각종 형태의 변수나 임시 데이터, 스레드나 메소드의 정보를 저장한다. 메소드 호출시마다 각가의 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, 리턴값 및 연산 시 일어나는 값들을 임시로 저장한다.

Native method stack

자바 프로그램이 컴파일돼 생성되는 바이트코드가 아닌 실제 실행할 수 있는 기계어로 작성된 프로그램을 실행시키는 영역이다. JAVA 가 아닌 다른 언어로 작성된 코드를 위한 공간이다. JAVA Native Interface를 통해 바이트 코드를 전환하여 저장하게 된다. 일반 프로그램처럼 커널이 스택을 잡아 독자적으로 프로그램을 실행시키는 영역이다. 이 부분을 통해 C code 를 실행시켜 커널에 접근할 수 있다.

Method Area ( = Class Area = Static Area )

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

• 올라가는 정보의 종류

  • Field Information

    • 멤버 변수의 이름, 데이터 타입, 접근 제어자에 대한 정보

  • Method Information

    • 메소드의 이름, 리턴타입 매개변수, 접근 제어자에 대한 정보

  • Type Information

    • class 인지 interface 인지 여부 저장, type 의 속성, 전체 이름, super class 의 전체 이름(interface 이거나 object 인 경우 제외)

    • method area 는 클래스 데이터를 위한 공간이라면, heap 영역이 객체를 위한 공간이다. heap 과 마찬가지로 GC의 관리 대상에 포함된다.

Heap(힙 영역)

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

• Permanent Generation
  • 생성된 객체들의 정보의 주소값이 저장된 공간이다. class loader 에 의해 load 가 되는 class, method 등에 대한 meta 정보다 저장되는 영역이고, JVM 에 의해 사용된다. Reflection 을 사용하여 동적으로 클래스가 로딩되는 경우에 사용된다.
• New/Young 영역
  • Eden: 객체들이 최초로 생성되는 공간
  • Survivor 0/1 : Eden 에서 참조되는 객체들이 저장되는 공간
• Old 영역
  • new area 에서 일정시간 참조되고 있는, 살아남은 객체들이 저장되는 공간 Eden 영역에 객체가 가득차게되면 첫 번째 GC(minor GC )가 발생한다. Eden 영역에 있는 값들을 Survivor 1 영역에 복사하고, 이 영역을 제외한 나머지 영역의 객체를 삭제한다.
• 인스턴스는 소멸 방법과 소멸 시점이 지역변수와는 다르기에 힙이라는 별도의 영역에 할당된다. 자바 가상 머신은 매우 합리적으로 인스턴스를 소멸시킨다. 더이상 인스턴스의 존재이유가 없을 때, 소멸시킨다.
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참고문헌

https://asfirstalways.tistory.com/158

https://asfirstalways.tistory.com/159

https://d2.naver.com/helloworld/1329