[Java] JVM 구조와 동작원리

개발을 하면서 jvm, jdk, jre와 같은 용어들을 많이 보며 지나갔는데 한번 정리가 필요할 것 같아서 글을 쓴다.

 

JVM이란

JVM은 자바 가상머신으로 자바 바이트코드를 실행 할 수 있는 주체로 JVM 덕분에 CPU나 플랫폼(OS+CPU아키텍처)과 독릭접으로 동작 가능하다. 예를들어 리눅스에서 컴파일한 C프로그램을 윈도우에서 실행했을때 환경이 달라서 작동하지 않는다는 문제가 있다고 한다. C/C++은 플랫폼 종속적이기에 크로스컴파일이 필요하다. 

 

 

자바는 JVM이 설치된 곳이라면 어디든 똑같이 작동한다. 하지만 이 JVM은 플랫폼 종속적이라는 모순이 있는데 어찌보면 당연한 것이다. 플랫폼이 다른 환경에서 일어나는 다양한 문제들을 JVM이 한번에 퉁쳐서 해결해 주기 때문이다. 또 JVM은 다른 하드웨어와 다르게 레지스터기반이 아닌 스택기반으로 동작한다. 이 부분도 해당 플랫폼이 레지스터를 사용하는지 안하는지 알 수 없기에 플랫폼 독립적으로 사용할 수 있는 스택을 사용하는 것이다.

 

자바 프로그램은 우리가 작성한 소스코드가 JAVAC compiler를 통해 바이트코드로 변환되고 이를 JVM이 읽어들이는 방식으로 진행된다.

 

 

 

 

JVM구조

JVM의 구조는 크게 보면, Garbage Collector, Execution Engine, Class Loader, Runtime Data Area로, 4가지로 나눌 수 있다. 

 

 

1. Class Loader

JVM 내로 클래스 파일을 로드하고, 링크를 통해 배치하는 작업을 수행하는 모듈이다. 런타임 시에 동적으로 클래스를 로드한다.

 

2. Execution Engine

클래스 로더를 통해 JVM 내의 Runtime Data Area에 배치된 바이트 코드들을 명렁어 단위로 읽어서 실행한다. 최초 JVM이 나왔을 당시에는 인터프리터 방식이었기때문에 속도가 느리다는 단점이 있었지만 JIT 컴파일러 방식을 통해 이 점을 보완하였다. JIT는 바이트 코드를 어셈블러 같은 네이티브 코드로 바꿈으로써 실행이 빠르지만 역시 변환하는데 비용이 발생한다. 이 같은 이유로 JVM은 모든 코드를 JIT 컴파일러 방식으로 실행하지 않고, 인터프리터 방식을 사용하다가 일정한 기준이 넘어가면 JIT 컴파일러 방식으로 실행한다.

 

 

3. Garbage Collector

Garbage Collector(GC)는 힙 메모리 영역에 생성된 객체들 중에서 참조되지 않은 객체들을 탐색 후 제거하는 역할을 한다. 이때, GC가 역할을 하는 시간은 언제인지 정확히 알 수 없다.

 

 

4. Runtime Data Area

JVM의 메모리 영역으로 자바 애플리케이션을 실행할 때 사용되는 데이터들을 적재하는 영역. 이 영역은 크게 Method Area, Heap Area, Stack Area, PC Register, Native Method Stack로 나눌 수 있다. 

 

Method Area, Heap Area는 모든 쓰레드에서 공유, 나머지는 쓰레드마다 각각 존재한다.

 

이 Runtime Data Area를 살펴보자

 

4.1. Method area 

모든 쓰레드가 공유하는 메모리 영역. 메소드 영역은 클래스, 인터페이스, 메소드, 필드, Static 변수 등의 바이트 코드를 보관한다.

 

 

4.2. Heap area

모든 쓰레드가 공유하며, new 키워드로 생성된 객체와 배열이 생성되는 영역. 또한, 메소드 영역에 로드된 클래스만 생성이 가능하고 Garbage Collector가 참조되지 않는 메모리를 확인하고 제거하는 영역이다.

 

 

4.3. Stack area 

 

메서드 호출 시마다 각각의 스택 프레임(그 메서드만을 위한 공간)이 생성한다. 그리고 메서드 안에서 사용되는 값들을 저장하고, 호출된 메서드의 매개변수, 지역변수, 리턴 값 및 연산 시 일어나는 값들을 임시로 저장한다. 마지막으로, 메서드 수행이 끝나면 프레임별로 삭제한다.

 

 

4.4. PC Register

쓰레드가 시작될 때 생성되며, 생성될 때마다 생성되는 공간으로 쓰레드마다 하나씩 존재한다. 쓰레드가 어떤 부분을 무슨 명령으로 실행해야할 지에 대한 기록을 하는 부분으로 현재 수행중인 JVM 명령의 주소를 갖는다.

 

 

4.5. Native method stack

자바 외 언어로 작성된 네이티브 코드를 위한 메모리 영역.

 

 

 

 

 

 

참고:

https://steady-coding.tistory.com/305

JVM 메모리 구조란? (JAVA)

https://youtu.be/UzaGOXKVhwU