JVM 이란?
JVM 은 Java Virtual Machine 의 약자로, 자바 가상 머신이라고 부른다.
자바와 운영체제 사이에서 중개자 역할을 수행하며, 자바가 운영체제에 구애받지 않고 프로그램을 실행할 수 있도록 도와준다.
또한, 가비지 컬렉터를 사용하여 메모리 관리도 자동으로 수행하며, 다른 하드웨어와 다르게 레지스터 기반이 아닌 스택 기반으로 동작한다.
JVM 의 동작 방식
1. JAVA 프로그램을 실행하면 JVM 은 OS 로부터 메모리를 할당받는다.
2. 자바 컴파일러(javac) 가 자바 소스코드(.java)를 자바 바이트 코드(.class)로 컴파일한다.
3. Class Loader는 동적 로딩을 통해 필요한 클래스들을 로딩 및 링크하여 Runtime Data Area(실질적인 메모리를 할당받아 관리하는 영역)에 올린다.
4. Runtime Data Area에 로딩된 바이트 코드는 Execution Engine을 통해 해석된다.
5. 이 과정에서 Execution Engine에 의해 Garbage Collector의 작동과 Thread 동기화가 이뤄진다.
7. 프로그램이 실행된다.
JVM 의 구성 요소
1. 클래스 로더( Class Loader)
2. 실행 엔진 (Execution Engine)
- 인터프리터 (Interpreter)
- JIT 컴파일러 (Just-in-Time)
- 가비지 콜렉터 (Garbage Collector)
3. 런타임 데이터 영역(Runtime Data Area)
- 메소드 영역 (Method Area)
- 힙 영역 (Heap)
- 스택 영역 (Stack)
- PC Register
- 네이티브 메소드 스택 (Native Method Stack)
4. JNI (Java Native Interface)
5. 네이티브 메소드 라이브러리 (Native Method Library)
클래스 로더 (Class Loder)
클래스 로더는 JVM 내로 클래스 파일(*.class)을 동적으로 로드하고, 링크를 통해 배치하는 작업을 수행하는 모듈이다.
즉, 로드된 바이트 코드(.class)들을 엮어서 JVM의 메모리 영역인 Runtime Data Area 에 배치한다.
클래스를 메모리에 올리는 로딩 기능은 한번에 메모리에 올리지 않고, 어플리케이션에서 필요한 경우 동적으로 메모리에 적재하게 된다.
클래스 파일의 로딩 순서는 다음과 같이 3단계로 구성된다. (Loading -> Linking -> Initialization)
1. Loading: 클래스 파일을 가져와서 JVM 의 메모리에 로드한다.
2. Linking: 클래스 파일을 사용하기 위해 검증하는 과정이다.
- Verifying(검증): 읽어들인 클래스가 JVM 명세에 명시된 대로 구성되어 있는지 검사한다.
- Preparing(준비): 클래스가 필요로 하는 메모리를 할당한다.
- Resolving(분석): 클래스의 상수 풀 내 모든 심볼릭 레퍼런스를 다이렉트 레퍼런스로 변경한다.
3. Initialization: 클래스 변수들을 적절한 값으로 초기화한다. ex. static 필드들을 설정된 값으로 초기화 등
실행 엔진 (Execution Engine)
실행 엔진은 클래스 로더를 통해 런타임 데이터 영역에 배치된 바이트 코드를 명령어 단위로 읽어서 실행한다.
자바 바이트 코드(*.class) 는 기계가 바로 수행할 수 있는 언어보다는 가상머신이 이해할 수 있는 중간 레벨로 컴파일된 코드이다. 그래서 실행 엔진은 이와 같은 바이트 코드를 실제로 JVM 내부에서 기계가 실행할 수 있는 형태로 변경해준다.
이 수행 과정에서 실행 엔진은 인터프리터와 JIT 컴파일러 두 가지 방식을 혼합하여 바이트 코드를 실행한다.
인터프리터 (interpreter)
바이트 코드 명령어를 하나씩 읽어서 해석하고 바로 실행한다.
JVM 안에서 바이트코드는 기본적으로 인터프리터 방식으로 동작한다.
다만 같은 메소드라도 여러번 호출이 된다면 매번 해석하고 수행해야 되서 전체적인 속도는 느리다.
JIT 컴파일러 (Just-In-Time Compiler)
인터프리터의 단점을 보완하기 위해 도입된 방식으로 반복되는 코드를 발견하여 바이트 코드 전체를 컴파일하여 Native Code로 변경하고 이후에는 해당 메소드를 더 이상 인터프리팅 하지 않고 캐싱해 두었다가 네이티브 코드로 직접 실행하는 방식이다.
하나씩 인터프리팅하여 실행하는 것이 아니라, 컴파일된 네이티브 코드를 실행하는 것이기 때문에 전체적인 실행 속도는 인터프리터 방식보다 빠르다.
하지만 바이트코드를 Native Code로 변환하는 데에도 비용이 소요되므로, JVM은 모든 코드를 JIT 컴파일러 방식으로 실행하지 않고 인터프리터 방식을 사용하다 일정 기준이 넘어가면 JIT 컴파일 방식으로 명령어를 실행하는 식으로 진행한다.
⚠️ 네이티브 코드란 JAVA에서 부모가 되는 C언어나, C++, 어셈블리어로 구성된 코드를 의미한다.
가비지 컬렉터 (Garbage Collector, GC)
자바 가상 머신은 가비지 컬렉터를 이용하여 Heap 메모리 영역에서 더는 사용하지 않는 메모리를 자동으로 회수해 준다.
C언어 같은 경우 직접 개발자가 메모리를 해제해줘야 되지만, JAVA는 이 가비지 컬렉터를 이용해 자동으로 메모리를 실시간 최적화 시켜준다. 따라서 개발자가 따로 메모리를 관리하지 않아도 되므로, 더욱 손쉽게 프로그래밍 할 수 있도록 해준다.
일반적으로 자동으로 실행되지만, GC(가비지 컬렉터)가 실행되는 시간은 정해져 있지 않다.
특히 Full GC 가 발생하는 경우, GC 를 제외한 모든 스레드가 중지되기 때문에 장애가 발생할 수 있다.
⚠️ 수동으로 GC(가비지 컬렉터)를 실행하기 위해 System.gc() 라는 메소드를 사용할 수도 있지만, 함수 실제 실행됐는지 보장되진 않는다.
런타임 데이터 영역 (Runtime Data Area)
런타임 데이터 영역은 쉽게 말하면 JVM 의 메모리 영역으로 자바 애플리케이션을 실행할 때 사용되는 데이터들을 적재하는 영역이다.
해당 영역은 크게 Method Area, Heap Area, Stack Area, PC Register, Native Method Stack 으로 나눌 수 있다.
메소드 영역 (Method Area)
모든 쓰레드가 공유하는 메모리 영역이다. 메소드 영역은 클래스, 인터페이스, 메소드, 필드, static 변수 등의 바이트 코드를 보관한다. (Class Area 나 Static Area 로도 불리운다)
메소드 영역은 JVM 이 시작될 때 생성되는 공간으로 바이트 코드(.class) 를 처음 메모리 공간에 올릴 때 초기화되는 대상을 저장하기 위한 메모리 공간이다.
JVM 이 동작하고 클래스가 로드될 때 적재돼서 프로그램이 종료될 때까지 저장된다.
모든 쓰레드가 공유하는 영역이라 다음과 같이 초기화 코드 정보들이 저장되게 된다.
- Field Info: 멤버 변수의 이름, 데이터 타입, 접근 제어자의 정보
- Method Info: 메소드 이름, return 타입, 함수 매개변수, 접근 제어자의 정보
- Type Info: Class 인지 Interface 인지 여부 저장, Type 의 속성, Super Class 의 이름
※ 메소드 영역, 런타임 상수 풀의 사용기간 및 스레드 공유 범위
- JVM 시작시
- 생성프로그램 종료 시까지
- 명시적으로 null 선언시
※ 런타임 상수 풀 (Runtime Constant Pool) 이란?
- 메소드 영역에 존재하는 별도의 관리영역
- 각 클래스/인터페이스마다 별도의 Constant Pool 테이블이 존재하는데, 클래스 생성할때 참조해야할 정보들을 상수로 가지고 있는 영역이다.
- JVM 은 이 Constant Pool 을 통해 해당 메소드나 필드의 실제 메모리상 주소를 찾아 잠조한다.
- 정리하면 상수 자료형을 저장하여 참조하고, 중복을 막는 역할을 수행한다.
힙 영역 (Heap)
힙 영역은 메소드 영역과 함께 모든 쓰레드가 공유하며, JVM 이 관리하는 프로그램 상에서 데이터를 저장하기 위해 런타임시 동적으로 할당하여 사용하는 영역이다.
즉, new 연산자로 생성되는 클래스와 인스턴스 변수, 배열 타입 등 Reference Type 이 저장되는 곳이다.
당연히 메소드 영역에 저장된 클래스만이 생성이 되어 적재된다.
※ 힙 영역의 사용기간 및 스레드 공유 범위
- 객체가 더 이상 사용되지 않거나 명시적으로 null 선언시
- GC(가비지 컬렉터) 대상
유의할 점은 힙 영역에 생성된 객체와 배열은 Reference Type 으로서, JVM 스택 영역의 변수나 다른 객체의 필드에서 참조된다는 점이다.
즉, 힙의 참조 주소는 "스택" 이 가지고 있고 해당 객체를 통해서만 힙 영역에 있는 인스턴스를 핸들링할 수 있는 것이다.
만일 참조하는 변수나 필드가 없다면 의미 없는 객체가 되기 때문에 이것을 쓰레기로 취급하고, JVM 은 쓰레기 수집기인 Garbage Collector 를 실행시켜 쓰레기 객체를 힙 영역에서 자동으로 제거한다.
이처럼 힙 영역은 가비지 컬렉션의 대상이 되는 공간이다.
스택 영역 (Stack)
스택 영역은 int, long, boolean 등 기본 자료형을 생성할 때 저장하는 공간으로, 임시적으로 사용되는 변수나 정보들이 저장되는 영역이다.
스택의 자료구조는 마지막에 들어온 값이 먼저 나가는 LIFO 구조로 push 와 pop 기능 사용 방식으로 동작한다.
메소드 호출시마다 각각의 스택 프레임(해당 메소드만을 위한 공간)이 생성되고 메소드 안에서 사용되는 값들을 저장하고, 호출된 메소드의 매개변수, 지역변수, 리턴 값 및 연산시 일어나는 값들을 임시로 저장한다.
그리고 메소드 수행이 끝나면 프레임별로 삭제된다.
※ 스택 프레임 (Stack Frame) 이란?
- 메소드가 호출될 때마다 프레임이 만들어지며, 현재 실행중인 메소드 상태 정보를 저장하는 곳이다.
- 메소드 호출 범위가 종료되면 스택에서 제거된다.
- 스택 프레임에 쌓이는 데이터는 메소드의 매개변수, 지역변수, 리턴값, 연산시 결과값 등이 있다.
데이터 타입의 따라 스택(stack) 과 힙(heap) 에 저장되는 방식이 다르다는 점을 유의해야 한다.
- 기본(원시) 타입 변수는 스택 영역에 직접 값을 가진다.
- 참조타입 변수는 힙 영역이나 메소드 영역의 객체 주소를 가진다.
예를 들어, Person p = new Person(); 와 같이 클래스를 생성할 경우, new 에 의해 생성된 클래스는 Heap Area 에 저장되고, Stack Area 에는 생성된 클래스의 참조인 p 만 저장된다.
스택 영역은 각 스레드마다 하나씩 존재하며, 스레드가 시작될 때 할당된다.
프로세스가 메모리에 로드될 때 스택 사이즈가 고정되어 있기 때문에, 런타임시 스택 사이즈를 바꿀 수는 없다.
만일 고정된 크기의 JVM 스택에서 프로그램 실행 중 메모리 크기가 충분하지 않다면 StackOverFlowError 가 발생하게 된다.
쓰레드를 종료하면 런타임 스택도 사라진다.
여기까지 배운 메소드 영역, 힙 영역, 스레드 영역을 한 그림으로 표시하자면 아래와 같이 그려지게 된다.
PC 레지스터 (Program Counter Register)
PC 레지스터는 쓰레드가 시작될 때 생성되며, 현재 수행중인 JVM 명령어 주소를 저장하는 공간이다.
JVM 명령어 주소는 쓰레드가 어떤 부분을 무슨 명령으로 실행해야할지에 대한 기록을 가지고 있다.
일반적으로 프로그램의 실행은 CPU에서 명령어(Instruction)을 수행하는 과정으로 이루어진다.
이때 CPU는 연산을 수행하는 동안 필요한 정보를 레지스터라고 하는 CPU 내의 기억장치를 이용하게 된다.
예를 들어, A와 B라는 데이터와 피연산 값이 Operand가 있고 이를 더하라는 연산 Instruction이 있다고 해보자.
A와 B, 그리고 더하라는 연산이 순차적으로 진행이 되게 되는데, 이때 A를 받고 B를 받는 동안 이 값을 CPU가 어딘가에 기억해 두어야 할 필요가 생긴다.
이 공간이 바로 CPU 내의 기억장치 Register 이다.
하지만 자바의 PC Register 와 위의 CPU Register 는 다르다.
자바는 OS 나 CPU 의 입장에서는 하나의 프로세스이기 때문에 가상 머신(JVM)의 리소스를 이용해야 한다.
그래서 자바는 CPU에 직접 연산을 수행하도록 하는 것이 아닌, 현재 작업하는 내용을 CPU 에게 연산으로 제공해야 하며, 이를 위한 버퍼 공간으로 PC Register 라는 메모리 영역을 만들게 된 것이다.
따라서 JVM 은 스택에서 비연산값 Operand 를 뽑아 별도의 메모리 공간인 PC Register 에 저장하는 방식을 취한다.
만약에 스레드가 자바 메소드를 수행하고 있으면 JVM 명령(Instruction)의 주소를 PC Register 에 젖아한다.
그러다 만약 자바가 아닌 다른 언어(C, 어셈블리 등)의 메소드를 수행하고 있다면 undefined 상태가 된다.
왜냐하면 자바에서는 이 두 경우를 따로 처리하기 때문이다.
이 부분이 바로 뒤에 언급하게 될 Native Method Stack 공간이다.
네이티브 메소드 스택 (Native Method Stack)
네이티브 메소드 스택은 자바 코드가 컴파일되어 생성되는 바이트 코드가 아닌, 실제 실행할 수 있는 기계어로 작성된 프로그램을 실행시키는 영역이다.
또한 자바 이외의 언어(C, C++, 어셈블리 등)로 작성된 네이티브 코드를 실행하기 위한 공간이기도 하다.
사용되는 메모리 여역으로는 일반적인 C 스택을 사용한다.
일반적으로 메소드를 실행하는 경우 JVM 스택에 쌓이다가 해당 메소드 내부에 네이티브 방식을 사용하는 메소드가 있다면 해당 메소드는 네이티브 메소드 스택에 쌓인다.
그리고 네이티브 메소드 수행이 끝나면 다시 자바 스택으로 돌아와 다시 작업을 수행한다.
그래서 네이티브 코드로 되어 있는 함수의 호출을 자바 프로그램 내에서도 직접 수행할 수 있고 그 결과를 받아올 수도 있는 것이다.
네이티브 메소드 스택은 바로 아래에 있는 네이티브 메소드 인터페이스 (JNI) 와 연결되어 있는데, JNI 가 사용되면 네이티브 메소드 스택에 바이트 코드로 전환되어 저장되게 된다.
JNI (Java Native Interface)
JNI 는 자바가 다른 언어로 만들어진 어플리케이션과 상호 작용할 수 있도록 하는 인터페이스를 제공하는 프로그램이다.
JNI 는 네이티브 메소드를 적재하고 수행할 수 있도록 한다.
하지만 실질적으로 제대로 동작하는 언어는 C, C++ 정도 밖에 없다고 한다 😅
Native Method Library
C, C++ 로 작성된 라이브러리를 칭한다. 만일 헤더가 필요하면 JNI 는 이 라이브러리를 로딩해 실행한다.
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