[Java] JVM 개요

JVM은, 다른 프로그램을 실행시키는 것이 목적이다.

갖춘 기능으로는 크게 2가지로 말할 수 있다.

 

1. 자바 프로그램이 어느 기기나 운영체제 상에서도 실행될 수 있도록 하는 것(컴파일 언어 특징)
2. 메모리 관리, 가비지 컬렉션, 스레드 관리 등과 같은 다양한 작업을 처리하여 프로그램의 안정성과 성능을 유지

 

개발자들이 말하는 JVM은 보통 어떤 기기상에서 실행되고 있는 프로세스, 특히 자바 앱에 대한 리소스를 대표하고 통제하는 서버를 지칭한다. 자바 애플리케이션을 클래스 로더를 통해 읽어들이고, 자바 API와 함께 실행하는 역할. JAVA와 OS 사이에서 중개자 역할을 수행하여 OS에 구애받지 않고 재사용을 가능하게 해준다.

 

JVM의 구성요소

• 클래스 로더(Class Loader)
• 실행 엔진(Execution Engine)
  • 인터프리터(Interpreter)
  • JIT 컴파일러(Just-in-Time)
  • 가비지 콜렉터(Garbage collector)
• 런타임 데이터 영역 (Runtime Data Area)

클래스 로더
JVM 내로 클래스 파일(*.class)을 로드하고, 링크를 통해 배치하는 작업을 수행하는 모듈이다.
런 타임시 동적으로 클래스를 로드하고 jar 파일 내 저장된 클래스들을 JVM 위에 탑재한다.
즉, 클래스를 처음으로 참조할 때, 해당 클래스를 로드하고 링크한는 역할을 한다.

 

실행 엔진

클래스를 실행시키는 역할이다.

클래스 로더가 JVM내의 런타임 데이터 영역에 바이트 코드를 배치시키고, 이것은 실행 엔진에 의해 실행된다.

자바 바이트 코드(*.class)는 기계가 바로 수행할 수 있는 언어보다는 비교적 인간이 보기 편한 형태로 기술된 것이다. 그래서 실행 엔진은 이와 같은 바이트 코드를 실제로 JVM 내부에서 기계가 실행할 수 있는 형태로 변경한다.

 

 ↳ 인터프리터

실행 엔진은 자바 바이트 코드를 명령어 단위로 읽어서 실행한다.

하지만 한 줄씩 수행하기 때문에 느리다는 단점이 있다.

 ↳ JIT(Just-In-Time)

인터프리터 방식으로 실행하다가 적절한 시점에 바이트 코드 전체를 컴파일하여 기계어로 변경하고, 이후에는 해당 더 이상 인터프리팅 하지 않고 기계어로 직접 실행하는 방식이다.

 

가비지 콜렉터

자바 이전에는 프로그래머가 모든 프로그램 메모리를 관리했다.

하지만, 자바에서는 JVM이 프로그램 메모리를 관리한다. JVM은 가비지 컬렉션이라는 프로세스를 통해 메모리를 관리한다. 가비지 컬렉션은 자바 프로그램에서 사용되지 않는 메모리를 지속적으로 찾아내서 제거하는 역할을 수행한다.

실행순서 : 참조되지 않은 객체들을 탐색 후 삭제 → 삭제된 객체의 메모리 반환 → 힙 메모리 재사용

 

Runtime Data Area

프로그램을 수행하기 위해 OS에서 할당받은 메모리 공간

5가지 영역으로 나뉨 : PC 레지스터, JVM 스택, 네이티브 메서드 스택, 힙, 메서드 영역

(이 중 힙과 메서드 영역은 모든 스레드가 공유해서 사용함)

  PC 레지스터 : 스레드가 어떤 명령어로 실행되어야 할지 기록하는 부분(JVM 명령의 주소를 가짐)

  스택 Area : 지역변수, 매개변수, 메서드 정보, 임시 데이터 등을 저장

  네이티브 메서드 스택 : 실제 실행할 수 있는 기계어로 작성된 프로그램을 실행시키는 영역 

  힙 : 런타임에 동적으로 할당되는 데이터가 저장되는 영역. 객체나 배열 생성이 여기에 해당함

  (또한 힙에 할당된 데이터들은 가비지컬렉터의 대상이 됨. JVM 성능 이슈에서 가장 많이 언급되는 공간임)

  메서드 영역 : JVM이 시작될 때 생성되고, JVM이 읽은 각각의 클래스와 인터페이스에 대한 런타임 상수 풀, 필드 및 메서드 코드, 정적 변수, 메서드의 바이트 코드 등을 보관함

다양한 운영체제에서 JVM이 필요한 이유

"자바 프로그램이 어느 기기나 운영체제 상에서도 실행될 수 있도록 하는 것."이라고 적었는데, 이는 컴파일 언어의 특징 때문이다. 컴파일로 인해 자바 코드를 0과 1과 같은 컴퓨터 언어로 바꾸게 되는데, 이 컴퓨터 언어(bytecode)는 운영체제 별로 다르기 때문이다. 변환된 bytecode는 기계어가 아니기 때문에 OS에서 바로 실행되지 않는다. 이 때, JVM이 OS가 bytecode를 이해할 수 있도록 해석해준다. 따라서 Byte Code는 JVM 위에서 OS 상관없이 실행될 수 있는 것이다. OS에 종속적이지 않고, Java 파일 하나만 만들면 어느 디바이스든 JVM 위에서 실행할 수 있다.

 

JVM에서의 메모리 관리

JVM 실행에 있어서 가장 일반적인 상호작용은, 힙과 스택의 메모리 사용을 확인하는 것

실행 과정

1. 프로그램이 실행되면, JVM은 OS로부터 이 프로그램이 필요로하는 메모리를 할당받음. JVM은 이 메모리를 용도에 따라 여러 영역으로 나누어 관리함
2. 자바 컴파일러(JAVAC)가 자바 소스코드를 읽고, 자바 바이트코드(.class)로 변환시킴
3. 변경된 class 파일들을 클래스 로더를 통해 JVM 메모리 영역으로 로딩함
4. 로딩된 class파일들은 Execution engine을 통해 해석됨
5. 해석된 바이트 코드는 메모리 영역에 배치되어 실질적인 수행이 이루어짐. 이러한 실행 과정 속 JVM은 필요에 따라 스레드 동기화나 가비지 컬렉션 같은 메모리 관리 작업을 수행함

 

 

출처 : https://github.com/gyoogle/tech-interview-for-developer/blob/master/Language/%5Bjava%5D%20%EC%9E%90%EB%B0%94%20%EA%B0%80%EC%83%81%20%EB%A8%B8%EC%8B%A0(Java%20Virtual%20Machine).md