[Java] 자바 가상 머신(Java Virtual Machine)

JVM(Java Virtual Machine)

• Java로 개발한 프로그램을 실행하기 위한 가상머신. 자바 가상 머신을 뜻하는 말로 바이트코드를 실행하는 주체이다. 운영체제 위에서 동작하므로 플랫폼에 독립적으로 Java 프로그램을 실행할 수 있다.
• 프로그램 메모리를 관리하고 최적화하는 것

물리적인 실제의 기계가 아니라 추상적인 장치이다.

자바 애플리케이션을 클래스 로더(Class Loader)를 통해 읽어 들여서 자바 API와 함께 실행하는 것

자바 코드를 실행하기 위해서는 자바에서 javac 명령을 통해 바이트코드(.class)를 만들고, 바이트코드를 JVM이 인터프리터 방식으로 기계어로 번역하며 실행한다.

 

JVM 구성요소

1. Class Loader

JVM은 런타임시에 처음으로 클래스를 참조할 때 해당 클래스를 로드하고 메모리 영역에 배치시킴. 이 동적 로드를 담당하는 부분이 바로 클래스 로더

2. GC (Garbage Collector)

자바 이전에는 프로그래머가 모든 프로그램 메모리를 관리했음 하지만, 자바에서는 JVM이 프로그램 메모리를 관리함!

JVM은 가비지 컬렉션이라는 프로세스를 통해 메모리를 관리함. 가비지 컬렉션은 자바 프로그램에서 사용되지 않는 메모리를 지속적으로 찾아내서 제거하는 역할을 함.

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

3. Execution Engine

클래스 로더를 통해 JVM 내의 런타임 데이터 영역에 배치된 바이트코드는 실행 엔진에 의해 실행된다. 실행 엔진은 자바 바이트코드를 명령어 단위로 읽어서 실행한다.

• 인터프리터
• JIT(Just-In-Time) 컴파일러

JIT 컴파일러

인터프리터의 단점을 보완하기 위해 도입된 것이 JIT 컴파일러이다. 인터프리터 방식(실행시점에 바이트코드를 기계어로 번역하여 실행하는 것)으로 실행하다가 적절한 시점에 바이트코드 전체를 컴파일하여 네이티브 코드로 변경하고, 이후에는 해당 메서드를 더 이상 인터프리팅하지 않고 네이티브 코드로 직접 실행하는 방식이다. 네이티브 코드를 실행하는 것이 하나씩 인터프리팅하는 것보다 빠르고, 네이티브 코드는 캐시에 보관하기 때문에 한 번 컴파일된 코드는 계속 빠르게 수행되게 된다.

(= 인터프리터 방식은 실행중에 바이트코드를 한 줄씩 읽으면서 코드를 실행하기 때문에 동일한 메소드를 실행하는 경우 중복해서 번역하는 비효율이 있다. 이를 방지하기 위해 번역한 내용을 캐싱해 두었다가 동일한 메소드를 실행할 경우 캐싱된 내용을 실행한다.)

∴ 인터프리터 방식(실행중 한 줄씩 읽으며 실행)과 정적 컴파일 방식(실행하기 전 프로그램 코드를 기계어로 번역 - 캐싱)이 혼합된 형태

JIT 컴파일러가 컴파일하는 과정은 바이트코드를 하나씩 인터프리팅하는 것보다 훨씬 오래 걸리므로, 만약 한 번만 실행되는 코드라면 컴파일하지 않고 인터프리팅하는 것이 훨씬 유리하다. 따라서, JIT 컴파일러를 사용하는 JVM들은 내부적으로 해당 메서드가 얼마나 자주 수행되는지 체크하고, 일정 정도를 넘을 때에만 컴파일을 수행한다.

4. Runtime Data Area

JVM이 운영체제 위에서 실행되면서 할당받는 메모리 영역임

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

(이 중에 힙과 메서드 영역은 모든 스레드가 공유해서 사용함)

1. PC register(PC 레지스터) : 스레드가 어떤 명령어로 실행되어야 할지 기록하는 부분(JVM 명령의 주소를 가짐)
2. Stack Area(스택 영역, JVM 스택) : 지역변수, 매개변수, 메서드 정보, 임시 데이터 등을 저장. 스레드 마다 하나씩 존재하며 스레드가 시작될 때 생성된다.
3. Native Method Stack(네이티브 메서드 스택) : 실제 실행할 수 있는 기계어로 작성된 프로그램을 실행시키는 영역
4. Heap(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)
5. Class Area(static 영역, 메서드 영역, 데이터 영역) : 모든 스레드가 공유하는 영역으로 JVM이 시작될 때 생성된다. JVM이 읽은 각각의 클래스와 인터페이스에 대한 런타임 상수 풀, 필드 및 메서드 코드, 정적(static) 변수, 메서드의 바이트 코드 등을 보관함

 

JVM 메모리 관리

실행 과정

1. 프로그램이 실행되면 JVM은 OS로부터 해당 프로그램이 필요로하는 메모리를 할당받고, 할당 받은 메모리를 용도에 따라 여러 영역으로 나누어 관리한다.
2. 자바 컴파일러(javac)가 자바 코드(.java)를 읽어 자바 바이트코드(.class)로 변환시킨다.
3. 클래스 로더는 class파일들을 JVM으로 로딩한다.
4. 로딩된 class파일들은 실행 엔진(Execution engine)을 통해서 해석된다.
5. 해석된 바이트코드는 Runtime Data Areas(메모리 영역)에 배치되어 실질적인 수행이 이루어진다. 이러한 실행과정 속에서 JVM은 필요에 따라 스레드 동기화나 가비지 컬렉션(GC)같은 메모리 관리 작업을 수행한다.

컴파일 한다 = .java 파일을 .class(바이트코드)로 만든다는 것을 의미한다.

 

참고

• https://gyoogle.dev/blog/computer-language/Java/Java%20Virtual%20Machine.html
• https://d2.naver.com/helloworld/1230
• https://xxxelppa.tistory.com/194?category=858435 
• https://web2eye.tistory.com/177