[Java] JVM 동작방식 & 구성요소

JVM 동작방식

JVM(자바 가상 머신)은 자바 언어에서만 사용하는 것이 아니다. 코틀린, 스칼라 언어에서도 JVM 동작 방식을 그대로 따른다.
따라서 JVM을 정확히 이해하면 추후에 자바에서 파생된 언어를 이해하는 데에도 도움이 된다.

(1) 자바 프로그램을 실행-> JVM은 OS로부터 메모리를 할당받는다.
(2) 자바 컴파일러(javac)가 자바 소스코드(.java)를 자바 바이트 코드(.class)로 컴파일 한다.
(3) Class Loader는 동적 로딩을 통해 필요한 클래스들을 로딩 및 링크 하여 Runtime Data Area(실질적인 메모리를 할당 받아 관리하는 영역)에 올린다.
(4) Runtime Data Area에 로딩 된 바이트 코드는 Execution Engine을 통해 해석된다.
(5) 이 과정에서 Execution Engine에 의해 Garbage Collector의 작동과 Thread 동기화가 이루어진다

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JVM 구성요소와 역할

• 클래스 로더(Class Loader)
• 런타임 데이터 영역(Runtime Data Area)
• 실행 엔진(Execution Engine)
• JNI - 네이티브 메소드 인터페이스 (Native Method Interface)
• 네이티브 메소드 라이브러리 (Native Method Library)

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클래스 로더

클래스 로더는 JVM 내로 클래스 파일(.class)을 동적으로 로드하고, 링크를 통해 배치하는 작업을 수행하는 모듈
즉, 로드된 바이트 코드(.class)들을 엮어서 JVM의 메모리 영역인 Runtime Data Areas에 배치한다.

클래스를 메모리에 올리는 로딩 기능은 한번에 메모리에 올리지 않고, 어플리케이션에서 필요한 경우 동적으로 메모리에 적재하게 된다. (동적 로딩)

클래스 파일의 로딩 순서는 다음과 같이 3단계로 구성된다. (Loading → Linking → Initialization)

로딩

클래스 파일을 JVM에 메모리에 로드, 다음과 같은 요소들이 있다.

• BootStrap ClassLoader: 최상위 클래스로더, jre/lib/rt.jar에 담긴 JDK 클래스 파일을 로딩하며 Native C로 구현되어있다.
• Extension ClassLoader: jre/lib/ext 또는 java.ext.dirs 환경 변수로 지정된 폴더에 있는 클래스 파일을 로딩한다.
  Java9 이후 Platform ClassLoader로 명칭이 변경됨.
• Application ClassLoader: classpath나 JAR 파일 안에 있는 Manifest 파일의 Class-Path 속성값으로 지정된 폴더에 있는 클래스를 로딩한다. 개발자가 애플리케이션 구동을 위해 직접 작성한 대부분의 클래스가 이 클래스로더에 의해 로딩된다.
  Java9 이후 System ClassLoader로 명칭이 변경됨., classpath, modulepath에 있는 클래스를 로딩한다.

링킹

클래스 파일을 사용하기 위해 검증하는 과정

• Verifying(검증) : 읽어들인 클래스가 적절한지 검사한다. 검증에 실패하면 오류가 발생한다.
• preparing(준비) : 클래스가 필요로 하는 메모리를 할당한다.
• Resolving(분석) : 클래스의 상수 풀 내 모든 심볼릭 레퍼런스를 다이렉트 레퍼런스로 변경한다.

초기화

클래스 변수들을 적절한 값으로 초기화한다. 모든 static 변수들을 기본값으로 할당하고, static block을 실행한다.

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런타임 데이터 영역

런타입 데이터 영역은 쉽게 말하면 JVM의 메모리 영역으로 자바 애플리케이션을 실행할 때 사용되는 데이터들을 적재하는 영역이다.

런타임 데이터 영역은 위 크게 Method Area, Heap Area, Stack Area, PC Register, Native Method Stack로 나눌 수 있다.

• 메소드 영역(=class area=static area): JVM이 시작될 때 생성되며, 바이트 코드(.class)를 메모리 공간에 올릴 때 초기화되는 대상을 저장하기 위한 공간이다. 모든 스레드간 공유된다.

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, Type의 속성, 이름 Super Class의 이름

다음과 같은 정보가 저장된다.

• 힙 영역: 프로그램 상에서 데이터를 저장하기 위해 동적으로 할당되는 영역. new 연산자로 생성되는 클래스와 인스턴스 변수, 배열 등이 저장됨. 모든 스레드간 공유, GC의 대상
  

  

• 스택 영역: 스레드마다 생성되는 영역, int, log, boolean등 기본 자료형과 같이 임시적으로 사용되는 변수나 정보들이 스택 프레임의 형태로 저장된다. (스택 프레임은 메소드가 호출될 때마다 만들어지고, 메서드 호출이 종료되면 스택에서 제거된다. 스택 프레임에는 메서드의 매개변수, 지역변수, 리턴값, 연산 결과값 등의 데이터가 저장)
• PC Register: 현재 수행중인 JVM 명령어 주소를 저장한다. 스레드 마다 PC Register를 가짐. 이는 Java 메서드에 대한 위치만 기록
• Native Method Stack: native로 작성된 메서드의 정보를 저장하는 곳으로 스레드 마다 생성. 바이트 코드가 아닌, 실제 실행할 수 있는 기계어로 작성된 프로그램을 실행시킨다. 자바 이외의 언어로 작성된 native코드를 실행하기 위한 공간이기도 하다. JNI와도 연결되어 있다.

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실행 엔진

실행 엔진은 클래스 로더를 통해 런타임 데이터 영역에 배치된 바이트 코드를 명령어 단위로 읽어서 실행하는 영역이다.
중간 레벨로 컴파일된 바이트 코드(.class)를 실제로 JVM 내부에서 기계가 실행할 수 있는 형태로 변경해준다.

• 인터프리터
• JIT 컴파일러
• 가비지 컬렉터
  세가지의 구성요소를 가진다. (실행 엔진은 인터프리터와 JIT 컴파일러 두 가지 방식을 혼합하여 바이트 코드를 실행)

가비지 컬렉터 (Garbage Collector, GC)

Heap 메모리 영역에서 더는 사용하지 않는 메모리를 자동으로 회수해 준다.

C언어 같이 직접 개발자가 메모리를 회수해야 하는 방식과 달리, JAVA는 가비지 컬렉터를 이용해 자동으로 메모리를 실시간 최적화 시켜준다.

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JNI(Java Native Interface)

자바가 다른 언어로 만들어진 어플리케이션과 상호 작용할 수 있는 인터페이스를 제공하는 프로그램
JNI가 사용되면 native mathod stack에 바이트 코드가 적재된다.

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Native Method Library

C, C++로 작성된 라이브러리를 칭한다.
만일 헤더가 필요하면 JNI는 이 라이브러리를 로딩해 실행한다.

 

 

참조

☕ JVM 내부 구조 & 메모리 영역 💯 총정리

백기선님 온라인 스터디 1주차 - JVM은 무엇이며 자바 코드는 어떻게 실행하는 것인가.