자바 가상머신은 왜 있는거지?: JVM(JAVA Virtual Macchine)

JVM이란

JAVA Virtual Macchine, 자바 가상 머신의 약자를 따서 줄여 부르는 용어이다.

• JVM의 역할은 자바 어플리케이션을 클래스 로더를 통해 읽어들여 자바API와 함께 실행한다.
• JVM은 JAVA와 OS 사이에 중개자 역할을 수행하여 JAVA가 OS에 구애받지 않고 재사용가능하게해준다.
• 메모리관리, Garbage Colletion을 수행

자바프로그램 실행과정

1. 프로그램이 실행되면 JVM은 OS로 부터 이 프러그램이 필요한 메모리를 할당받는다.
       JVM은 이 메모리를 용도에 따라 여러 영역으로 나누어 관리
2. 자바 컴파일러(JavaC)가 자바소스(.java)를 읽어들여 자바 바이트코드( .class)로 변환시킨다.
3. Class Loader를 통하여 class파일을 JVM으로 로딩
4. 로딩된 class파일들은 Execution engine을 통하여 해석된다.
5. 해석된 바이트코드는 Runtime Data Areas에 배치되어 실질적인 수행이 이루어진다.
   이러한 실행과정 속에서 JVM은 필요에 따라 Thread Synchronization과 GC같은 작업을 수행한다.

 

 

JVM 구성

1. Class Loader

JVM내로 클래스를 로드하고 링크를 통하여 배치하는 작업을 수행하는 모듈이다. Runtime시 동적으로 클레스를 로드한다.

jar파일 내 저장된 클레스들을 JVM위에 탑재하고 사용하지 않는 클래스들은 메모리에서 삭제한다.(컴파일러 역할)

자바는 동적코드, 컴파일 타임이 아니라 런타임에 참조한다. 즉, 클래스를 처음으로 참조할 때, 해당 클래스를 로드하고 링크한다는 것이다. 

 

2. Execution Engine(실행엔진)

클래스를 실행시키는 역할이다. 클래스 로더가 JVM내 런타임데이터 영역에 바이트 코드를 배치시키고, 이것은 실행엔진에 의해 실행된다. 자바 바이트코드는 기계가 바로 수행할 수 있는 언어보다는 비교적 인간이 보기 편한 형태로 기술된 것이다. 그래서 실행엔진은 이와같은 바이트코드를 실제로 JVM내부에서 기계가 실행할 수 있는 형태로 변경한다. 이때 두가지 방식을 사용하게 된다.

 

3. Garbage Collector(GC)

가비지 컬렉션(Garbage Collection, 이하 GC)은 자바의 메모리 관리 방법 중의 하나로 JVM(자바 가상 머신)의 Heap 영역에서 동적으로 할당했던 메모리 중 필요 없게 된 메모리 객체(garbage)를 모아 주기적으로 제거하는 프로세스를 말한다.

 

4. Runtime Data Area

4-1. Method Area(=Class area = Static area)

클래스 정보를 처음 메모리 공간에 올릴 때 초기화되는 대상을 저장하기 위한 메묄 공간. 올라가게 되는 메서드의 바이트 코드는 프로그램의 흐름을 구성하는 바이트코드이다. 자바 프로그램은 main 메서드의 호출에서부터 계속된 메서드의 호출로 흐름을 이어가기 때문이다. 대부분 인스턴스의 생성도 메서드내에서 명령하고 호출한다. 사실상 컴파일된 바이트코드의 대부분이 메서드 바이트코드이기 때문에 거의 모든 바이트코드가 올라간다고 봐고 무방하다.

 

4-2. Heap

객체를 저장하는 가상 메모리 공간이다 new 연산자로 생성된 객체와 배열을 저장한다. 물론 class area영역에 올라온 클레스들만 객체로 생성할 수 있다.

 

4-3. Stack Area

프로그램 실행과정에서 임시로 할당되었다가 메서드를 빠져나가면 바로 소멸되는 특성의 데이터를 저장하기 위한 영역이다. 각종 형태의 변수나 임시 데이터, 스레드나 메서드의 정보를 저장한다. 메서드 호출 시 마다 각각의 스택프레임(그 메서드만을 위한 공간)이 생성된다. 메서드 수행이 끝나면 프레임 별로 삭제를 한다. 메서드 안에서 사용되는 값들(local variable)을 저장한다. 또 호출된 메서드의 매개변수, 지역변수, 리턴 값 및 연산 시 일어나는 값들을 임시로 저장함.

 

4-4. PC register

Thread가 시작될 때 생성되며, 생성될 때마다 생성되므로 Thread마다 하나씩 존재한다. Thread가 어떤부분을 어떤 명령으로 실행해야할지에 대한 기록을 하는 부분으로 현재 수행중인 JVM 명령의 주소를 갖는다.

 

4-5.

자바 프로그램이 컴파일되어 생성되는 바이트 코드가 아닌 실제 실행할 수 있는 기계어로 작성된 프로그램을 실행시키는 영역이다. Java가 아닌 다른 언어로 작성된 코드를 위한 공간이다. Java Native Interface를 통해 바이트 코드로 전환하여 저장하게 된다. 일반 프로그램 처럼 커널이 스택을 잡아 독자적으로 프로그램을 실행시키는 영역이다. 이 부분을 통하여 C code를 실행시켜 Kernel에 접근할 수 있다.

 

 

[결과]

JVM은 java 소스파일을 java 컴파일러가 Class파일(바이트코드)로 변경 후 클래스로더를 이용해 Method  에어리어에 배치 후 링크작업을 하여 Heap영역 Stack 영역에 정보를 링크하여 자료를 쓰이게 해주고 Execution Engine(실행엔진)이 JIT컴파일러나 인터프리터를 사용하여 실행되며 Garbage Collector(GC)가 할당했던 메모리 중 필요없게된 객체를 모아 주기적으로 제거한다.

 

 

[느낀점]

JVM에 대하여 공부하였다 자바의 컴파일러는 자바 소스코드를 바이트코드(.class) 파일로 변경 후 자바의 JVM이 위 내용처럼 여러 과정을 거쳐 프로그래밍하는 것을 알았다. 좀 더 공부하여 jvm의 성능과 메모리 최적화, gc의 종류선택 과 최적화 방법 등 공부를 해야겠다.

 

 

 

 

참조

https://asfirstalways.tistory.com/158

#자바가상머신, JVM(Java Virtual Machine)이란 무엇인가?

 

https://inpa.tistory.com/entry/JAVA-%E2%98%95-%EA%B0%80%EB%B9%84%EC%A7%80-%EC%BB%AC%EB%A0%89%EC%85%98GC-%EB%8F%99%EC%9E%91-%EC%9B%90%EB%A6%AC-%EC%95%8C%EA%B3%A0%EB%A6%AC%EC%A6%98-%F0%9F%92%AF-%EC%B4%9D%EC%A0%95%EB%A6%AC

☕ 가비지 컬렉션 동작 원리 & GC 종류 💯 총정리

https://jangjjolkit.tistory.com/32

[Java] Java Virtual Machine(JVM) 이란?