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

JVM이란? 

• 자바 가상머신 
• 가상머신이란 프로그램을 실행하기 위해 물리적으로 유사한 머신을 소프트웨어로 구현한 것 
• Java와 OS사이에서 중개자 역할을 하며 Java가 OS에 구해받지 않고 재사용 가능하도록 함
• 메모리 관리, Garbage Collection수행
• 스택기반의 가상머신
• 클래스로더를 통해 읽어 들여 자바API와 함께 실행 

1. 프로그램이 실행되면 JVM은 OS로 부터 이 프로그램이 필요로 하는 메모리를 할당 (JVM은 이 메모리를 용도에 따라 여러 영역으로 나누어 관리 함)
2. 자바 컴파일러(javac)가 자바 소스코드(.java)를 읽어들여 자바 바이트코드(.class)로 변환 (.java -> .class)
3. Class Loader를 통해 class파일을을 JVM으로 로딩
4. 로딩된 class파일들은 Execution engine을 통해 해석
5. 해석된 바이트코드는 Runtime Data Areas에 배치되어 실질적인 수행을 함 (이러한 실행과정 속에서 JVM은 필요에 따라 Thread Synchronization과 GC같은 관리 작업을 수행함)

 

JVM 구성

• Class Loader(클래스 로더) JVM내로 클래스(.class파일)를 로드하고, 링크를 통해 배치하는 작업 수행 모듈
  Runtime시에 동적으로 클래스를 로드함
  .jar 파일 내 저장된 클래스들을 JVM위에 탑재하고 사용하지 않는 클래스들을 메모리에서 삭제
  (컴파일러 역할) 자바는 런타임에 참조
  즉, 클래스를 처음 참조할 때 해당 클래스를 로드하고 링크 하는데 그 역할을 클래스 로더가 수행함 
• Excution Engine(실행 엔진)
  클래스를 실행시키는 역할
  클래스 로더가 JVM내의 런타임데이터 영역에 바이트 코드 배치시키면 실행엔진에 의해 실행됨 
  자바 바이트 코드는 기계가 바로 수행할 수 있는 언어가 아님 (인간에 편한 언어에 가까움)
  실행 엔진은 바이트 코드를 실제로 JVM내부에서 기계가 실행 할 수 있는 형태로 변경 하게 되는데 이때 두 가지 방식을 사용하게 됨 
  
  1. Interpreter(인터프리터)
     실행 엔진은 자바 바이트 코드를 명령어 단위로 읽어서 실행
     →이 방식은 한줄씩 수행하기 때문에 느리다는 인터프리터 언어의 단점을 그대로 가지고 있음 

  2. JIT(Just-In-Time)
     인터프리터 방식의 단점을 보완하기 위해 도입된 JIT컴파일러
     인터프리터 방식으로 실행하다가 적절한 시점에 바이트 코드 전체를 컴파일하여 네이티브 코드로 변경하고, 이후에는 네이티브 코드로 직접 실행하는 방식
     네이티브 코드는 캐시에 보관하기 때문에 한번 컴파일된 코드는 빠르게 수행됨
     JIT컴파일러가 컴파일하는 과정은 바이트 코드를 인터프리팅하는 것보다 훨씬 오래걸리므로 한번만 실행되는 코드라면 컴파일하지 않고 인터프리팅하는 것이 유리
     → JIT컴파일러를 사용하는 JVM들은 내부적으로 해당 매서드가 얼마나 자주 수행되는지 체크하여 일정 수가 넘을 때에만 컴파일을 수행

• Garbage Collector
  GC를 수행하는 모듈(쓰레드)이 있음

 

Runtime Data Area

: 프로그램을 수행하기 위해 OS에서 할당받은 메모리 공간

1. PC Register
   Thread가 시작될 때 생성 되며 생성될 때마다 생성되는 공간으로 Thread마다 하나씩 존재함
   Thread가 어떤 부분을 어떤 명령으로 실행해야 할 지에 대한 기록을 하는 부분
   현재 수행중인 JVM명령의 주소를 가짐

2. JVM 스택영역
   프로그램 실행과정에서 임시로 할당되었다가 메소드를 빠져나가면 바로 소멸되는 특성의 데이터를 저장하기 위한 영역
   각종 형태의 변수나 임시데이터, 스레드나 메소드의 정보를 저장
   메소드 호출 시마다 각각의 스택 프레임(그 메서드만을 위한 공간)이 생성됨
   메서드 수행이 끝나면 프레임 별로 삭제 
   메소드 안에서 사용되는 값들 (local variable)을 저장
   호출된 메소드의 매개변수, 지역변수, 리턴 값 및 연산 시 일어나는 값들을 임시로 저장

3. Native method stack
   자바 프로그램이 컴파일되어 생성되는 바이트 코드가 아닌 실제 수행할 수 있는 기계어로 작성된 프로그램을 실행 시키는 영역
   Java가 아닌 다른 언어로 작성된 코드를 위한 공간
   Java Natice Interface를 통해 바이트 코드를 전환하여 저장하게 됨
   일반 프로그램처럼 커널이 스택을 잡아 독자적으로 프로그램을 실행시키는 영역
   이 부분을 통해 C Code를 실행시켜 Kernel에 접근 가능

4. Method Area(=Class area=Static area)
   클래스 정보를 처음 메모리 공간에 올릴 때 초기화 되는 대상을 저장하기 위한 메모리 공간
   올라가게 되는 메소드의 바이트 코드는 프로그램의 흐름을 구성하는 바이트 코드 (자바 프로그램은 main메소드의 호출에서부터 계속된 메소드의 호출로 흐름을 이어나가기 때문)
   대부분 인스턴스의 생성도 메소드 내에서 명령하고 호출함
   사실상 컴파일 된 바이트 코드의 대부분이 메소드 바이트 코드이기 때문에 거의 모든 바이트 코드가 올라간다고 봐도 무방함
   이 공간에는 Runtime Constant Pool이라는 별도의 관리 영역이 함께 존재하는데 이는 상수 자료형을 저장하여 참조하고 중복을 막는 역할을 수행함
   [올라가는 정보의 종류]
   1) Field Information : 멤버변수의 이름, 데이터 타입, 접근 제어자에 대한 정보
   2) Method Information : 메소드의 이름, 리턴타입, 매개변수, 접근 제어자에 대한 정보
   3) Type Information : class인지 interface인지의 여부 저장, Type의 속성, 전체 이름, super class의 전체이름 (interface 이거나 object인 경우 제외) 
   
   Method Area는 클래스 데이터를 위한 공간이라면 Heap영역은 객체를 위한 공간
   Heap과 마찬가지로 GC의 관리대상에 포함됨

5. Heap(힙 영역)
   객체를 저장하는 가상 메모리 공간
   new연산자로 생성된 객체와 배열을 저장
   class area영역에 올라 온 클래스들만 객체로 생성 가능
   힙은 세 부분으로 나눌 수 있다.
   1. Permanent Generation
   생성된 객체들의 정보의 주소값이 저장된 공간
   Class Loader에 의해 Load되는 Class, Method 등에 대한 Meta정보가 저장되는 영역이며 JVM에 의해 사용됨
   Reflection을 이용하여 동적으로 클래스가 로딩되는 경우에도 사용됨
   내부적으로 Reflection기능을 자주 사용하는 Spring Framework를 이용할 경우, 이영역에 대한 고려가 필요함
   2. New/ Young 영역
   - Eden : 객체들이 최초로 생성되는 공간
   - Survivor 0/1 : Eden에서 참조되는 객체들이 저장되는공간
   3. Old 영역
   New area에서 일정 시간 참조되고 있는, 살아남은 객체들이 저장되는공간 Eden영역에 객체가 가득차게 되면 첫번째 GC(minor GC)가 발생되는데 → Eden영역에 있는 값들을 Survivor 1 영역에 복사하고 이 영역을 제외한 나머지 영역의 객체를 삭제함
   
   인스턴스는 소멸 방법과 소멸 시점이 지역 변수와는 다르기 때문에 힙이라는 별도의 영역에 할당됨
   자바 가상머신은 더 이상 인스턴스의 존재 이유가 없을 때 소멸 시킴