Java 메모리 - (2) JVM

JVM(Java Virtual Machine)

 

JVM을 이해하기 위해서는 JVM, JRE, JDK, Java를 구분해서 알아야 할 필요가 있습니다.

 

 

JVM (Java Virtual Machine)

• Java Byte Code를 OS에 맞게 해석해주는 역할을 합니다. Java Compiler는 .java 파일을 .class 라는 Java Byte Code로 변환시켜 줍니다.
• Byte Code는 기계어가 아니기 때문에 OS에서 바로 실행되지 않습니다. 이때, JVM은 OS가 Byte Code를 이해할 수 있도록 해석해줍니다.
• 이러한 JVM의 해석을 거치기 때문에 C언어 같은 네이티브 언어에 비해 속도가 느렸지만, JIT(Just In Time) 컴파일러를 구현해 이점을 극복했습니다.
• 따라서, Byte Code는 JVM 위에서 OS에 상관없이 실행된다는 점이 Java의 가장 큰 장점이 됩니다. OS에 종속적이지 않고 Java 파일 하나만 만들면 어느 디바이스든 JVM 위에서 실행할 수 있습니다.

 

JRE (Java Runtime Environment)

• JVM + 핵심 라이브러리
• 개발과는 관련이 없으나, 실행과는 관련이 있음
• Java는 보통 JRE 단위로 배포됨

 

JDK (Java Development Kit)

• JRE + 개발 툴
• 자바11 부터는 JDK 단위로 배포됨

 

Java

• 소스 코드 자체는 플랫폼에 독립적
• javac에 의해 .class로 만들어짐
• JVM 자체 연관이 타이트하지 않음. (JVM은.class만 다루기 때문)
  • ex) Kotlin과 kotlinc로 .class 파일을 만들 수 있음

* .java 가 프로세스가 되기까지의 과정
.java -> (javac) -> .class -> (JVM) -> Process

* Byte 코드와 Binary 코드의 차이
- Byte 코드는 JVM 같은 가상 머신이 이해할 수 있는 코드(=.class)
- Binary 코드는 CPU가 이해할 수 있는 코드

 

 

JVM 구조

 

 

클래스 로더(Class Loader) 시스템

• Byte Code를 읽어오며 메모리에 적절히 배치하는 역할
• RunTime 시점에 클래스를 로딩하게 해주며 클래스의 인스턴스를 생성하면 클래스 로더를 통해 메모리에 로드하게 됩니다.
  • 로딩(Loading) : .class를 읽어옴
  • 링크(Linking) : 코드 내부의 레퍼런스를 연결함
  • 초기화(Initialization) : 클래스에 있는 static 값들을 초기화함

 

메모리 영역(Runtime Data Areas)

• JVM이 프로그램을 수행하기 위해 OS로부터 별도로 할당받은 메모리 공간을 말하며, 크게 5가지 영역으로 나눌 수 있습니다.
• Heap, Method Area는 전체 공유 자원으로 분류되고, JVM Stack, Native Method Stack, PC Register는 스레드 단위의 자원으로 분류됩니다.
• Heap
  • 객체(인스턴스) 수준의 정보를 저장
• Method Area
  • 클래스 수준의 정보를 저장
    • 클래스 이름, 부모 클래스 이름, 메서드, 변수 등
    • static 변수, 일반 변수 등
• JVM Stack
  • 인스턴스 및 지역 변수의 참조 주소들을 저장
  • 스레드마다 런타임 스택을 만들고, 스택 프레임(메서드 call)을 쌓음
    • 에러가 났을 때, 에러 메시지를 보면 런타임 스택에 메시지가 쌓여있는 것을 확인할 수 있습니다.
• Native Method Stack
  • Native 메서드를 호출할 때 사용하는 별도의 스택
  • Native 메서드는 Java가 아닌 C와 같은 언어(low-level)로 구현된 메서드임
    • 대표적인 예시로, Thread.currentThread()가 있습니다.

      public static native Thread currentThread() 로 선언되어 있습니다.

• PC Register

  • 스레드마다 가지고 있는 Program Counter
  • 현재 실행할 부분을 가리키고 있습니다.

 

실행 엔진 (Execution Engine)

• Load된 Class의 Byte Code를 실행하는 Runtime Module 입니다.
• Class Loader를 통해 JVM 내의 Runtime Data Areas에 배치된 Byte Code는 Execution Engine에 의해 실행되며, 실행 엔진은 자바 Byte Code를 명령어 단위로 읽어서 실행합니다.
• 인터프리터(Interpreter)
  • Byte Code를 한 줄씩 읽어서 Native Code로 변환

• JIT (Just In Time) 컴파일러
  • Byte Code에서 반복되는 코드 부분은 JIT 컴파일러가 미리 Native Code로 변환 시켜놓음
  • 반복되는 코드가 읽힐 순서가 왔을 때, 인터프리터로 읽지 않고 바로 Native Code를 바로 사용합니다.
  • 인터프리터로 읽을 때의 속도 효율성을 JIT 컴파일러가 보완하는 형태
  • 최초 JVM이 나왔을 당시에는 Interpreter 방식(한 줄씩 해석하고 실행)이었기 때문에 속도가 느리다는 단점이 있었지만, JIT Compiler 방식을 통해 이 점을 보완했습니다.
  • JIT는 Byte Code를 어셈블러 같은 Native Code로 바꿔서 실행이 빠르지만, 변환하는데 비용이 발생합니다.
  • 따라서, JVM은 모든 코드를 JIT Compiler 방식으로 실행하지 않고, Interpreter 방식을 사용하다가 일정한 기준이 넘어가면 JIT Compiler 방식으로 실행합니다.
• 가비지 컬렉터(Garbage Collector)
  • 더 이상 참조되지 않는 객체를 모아서 메모리 정리를 합니다.
  • 경우에 따라 성능 효율을 위해 커스터마이징을 해야함

 

 

Class Loader

 

• JVM 내부 구조의 클래스 로더 시스템 부분을 좀 더 자세히 살펴봅시다.

 

 

• 로딩 -> 링크 -> 초기화 순으로 진행됩니다.
• 로딩 (Loading)
  • .class 파일을 읽어서 Byte Code를 Binary Code로 만들고 이를 '메서드' 영역에 저장합니다.
  • 저장하는 데이터는 다음과 같습니다.
    • Fully-Qualified Class Name
      • 클래스 로더, 클래스 패키지 경로, 패키지 이름, 클래스 이름을 모두 포함한 값
    • 클래스 / 인터페이스 / enum(열거형 변수)을 구분하여 저장
    • 메서드와 변수
  • 로딩이 끝나면 해당 클래스 타입의 객체를 생성하여 'Heap' 영역에 저장
  • BootStrap -> Extension -> Application Loader 순으로, 앞의 Loader가 로딩할 수 없으면 그다음 Loader가 읽어내는 방식
    사실상 Application Loader가 읽어낸다고 함
• 링킹(Linking)
  • Verify
    • .class 파일 형식이 유효한지 검사합니다.
  • Prepare
    • static 변수와 기본 값에 필요한 메모리를 준비합니다.
  • Resolve(Optional)
    • 심볼릭 메모리 레퍼런스를 실제 메모리 레퍼런스로 교체합니다.
    • Optional인 이유는, 이때 교체(binding)될 수도 있고, 이후 사용이 일어날 때 동적으로 교체될 수도 있기 때문
• 초기화(Initialization)
  • static 변수를 초기화합니다.