JVM

JVM이란

• JVM (JAVA Virtual Machine): OS에 종속받지 않고 CPU 가 Java를 인식, 실행할 수 있게 하는 가상 컴퓨터이다

Java 소스코드, 즉 원시코드(*.java)는 CPU가 인식을 하지 못하므로 기계어로 컴파일을 해줘야한다.

하지만 Java는 이 JVM 이라는 가상머신을 거쳐서 OS에 도달하기 때문에 OS가 인식할 수 있는 기계어로 바로 컴파일 되는게 아니라 JVM이 인식할 수 있는 Java bytecode(*.class)로 변환된다.

=> Java compiler 가 .java 파일을 .class 라는 Java bytecode로 변환한다.

변환된 bytecode는 기계어가 아니기 때문에 OS에서 바로 실행되지 않는다. 이 때, JVM이 OS가 bytecode를 이해할 수 있도록 해석해준다.

컴파일 방법

Java Compiler는 JDK를 설치하면 javac.exe라는 실행 파일 형태로 설치된다. 정확히는 JDK 의 bin 폴더에 javac.exe 로 존재한다.

1. Java Complier 의 javac 라는 명령어를 사용하면 .class 파일을 생성할 수 있다.
2. java 명령어로 .class 파일을 실행 시킬 수 있다.

바이트 코드

자바 바이트 코드(Java bytecode)는 JVM이 이해할 수 있는 언어로 변환된 자바 소스코드를 의미한다.
자바 컴파일러에 의해 변환된 코드의 명령어 크기가 1바이트라서 자바 바이트 코드라고 불리고 있다.
바이트 코드는 다시 실시간 번역기 또는 JIT 컴파일러에 의해 바이너리 코드로 변환된다.

정리

자바에선 자바 컴파일러가 자바 프로그램 코드를 바이트 코드(.class)로 변환한 다음,
실제 바이트 코드를 실행하는 시점에서 자바 가상 머신(JVM, 정확히는 JRE)이 바이트 코드를 JIT 컴파일을 통해 기계어로 변환한다.

JVM 구성요소

JVM은 크게 아래와 같이 이루어져 있다.

• 클래스 로더(Class Loader)
• 실행 엔진(Execution Engine)
  • 인터프리터(Interpreter)
  • JIT 컴파일러(Just-in-Time)
  • 가비지 콜렉터(Garbage collector)
• 런타임 데이터 영역 (Runtime Data Area)

클래스 로더

JVM 내로 클래스 파일(*.class)을 로드하고, 링크를 통해 배치하는 작업을 수행하는 모듈이다.
런 타임시 동적으로 클래스를 로드하고 jar 파일 내 저장된 클래스들을 JVM 위에 탑재한다.
즉, 클래스를 처음으로 참조할 때, 해당 클래스를 로드하고 링크하는 역할을 한다.

실행엔진

클래스를 실행시키는 역할이다.

클래스 로더가 JVM내의 런타임 데이터 영역에 바이트 코드를 배치시키고, 이것은 실행 엔진에 의해 실행된다.

자바 바이트 코드(*.class)는 기계가 바로 수행할 수 있는 언어보다는 비교적 인간이 보기 편한 형태로 기술된 것이다. 그래서 실행 엔진은 이와 같은 바이트 코드를 실제로 JVM 내부에서 기계가 실행할 수 있는 형태로 변경한다.

↳ 인터프리터

실행 엔진은 자바 바이트 코드를 명령어 단위로 읽어서 실행한다.

하지만 한 줄씩 수행하기 때문에 느리다는 단점이 있다.

↳ JIT(Just-In-Time)

인터프리터 방식으로 실행하다가 적절한 시점에 바이트 코드 전체를 컴파일하여 기계어로 변경하고, 이후에는 해당 더 이상 인터프리팅 하지 않고 기계어로 직접 실행하는 방식이다.

가비지 콜렉터

더이상 사용되지 않는 인스턴스를 찾아 메모리에서 삭제한다.

Runtime Data Area

프로그램을 수행하기 위해 OS에서 할당받은 메모리 공간

↳ PC Register

Thread가 시작될 때 생성되며 생성될 때마다 생성되는 공간으로, 스레드마다 하나씩 존재한다.

Thread가 어떤 부분을 어떤 명령으로 실행해야할 지에 대한 기록을 하는 부분으로 현재 수행 중인 JVM 명령의 주소를 갖는다.
현재 쓰레드의 실행 주소

↳ JVM 스택 영역**

프로그램 실행과정에서 임시로 할당되었다가 메소드를 빠져나가면 바로 소멸되는 특성의 데이터를 저장하기 위한 영역이다.

각종 형태의 변수나 임시 데이터, 스레드나 메소드의 정보를 저장한다.

메소드 호출 시마다 각각의 스택 프레임(그 메서드만을 위한 공간)이 생성된다. 메서드 수행이 끝나면 프레임 별로 삭제를 한다.

메소드 안에서 사용되는 값들을 저장한다. 또 호출된 메소드의 매개변수, 지역변수, 리턴 값 및 연산 시 일어나는 값들을 임시로 저장한다.

*↳ Native method stack

자바 프로그램이 컴파일되어 생성되는 바이트 코드가 아닌 실제 실행할 수 있는 기계어로 작성된 프로그램을 실행시키는 영역.

JAVA가 아닌 다른 언어로 작성된 코드를 위한 공간.

Java Native Interface를 통해 바이트 코드로 전환하여 저장하게 된다.

일반 프로그램처럼 커널이 스택을 잡아 독자적으로 프로그램을 실행시키는 영역

↳ Method Area (= Class Area = Static area)

클래스 정보를 처음 메모리 공간에 올릴 때 초기화되는 대상을 저장하기 위한 메모리 공간

↳ ↳ Runtime Constant Pool

static 영역에 존재하는 별도의 관리영역.

상수 자료형을 저장하여 참조하고 중복을 막는 역할을 수행한다.

스태틱 영역에 저장되는 데이터
Field Information (멤버 변수!)
멤버변수의 이름, 데이터 타입, 접근 제어자에 대한 정보

Method Information (메소드!)
메소드의 이름, 리턴타입, 매개변수, 접근 제어자에 대한 정보

Type Information (타입!)
class인지 interface인지의 여부 저장. Type의 속성, 전체 이름, super 클래스의 전체 이름. (interface이거나 object인 경우 제외된다. 이건 Heap에서 관리함)

**↳ Heap 영역**

JVM이 관리하는 프로그램 상에서 데이터를 저장하기 위해 런타임 시 동적으로 할당하여 사용하는 영역

객체를 저장하는 가상메모리 공간. new 연산자로 생성되는 객체와 배열을 저장한다.

• Heap 영역은 Stack 영역과 다르게 보관되는 메모리가 호출이 끝나더라도 삭제되지 않고 유지된다.
  그러다 어떤 참조 변수도 Heap 영역에 있는 인스턴스를 참조하지 않게 된다면, GC(가비지 컬렉터)에 의해 메모리에서 청소된다.
• stack은 스레드 갯수마다 각각 생성되지만, heap은 몇개의 스레드가 존재하든 상관없이 단 하나의 heap 영역만 존재

참고

자바 변수의 종류

각 변수의 생성시기

• 클래스변수 : 클래스가 메모리에 올라갈 때
• 인스턴스변수 : 인스턴스가 생성되었을 때
• 지역변수 / 매개변수 : 위치하고 있는 메서드가 수행되었을 때

크로스 컴파일

타겟 플랫폼에 맞춰 컴파일 하는 것

• [10분 테코톡] 🎅무민의 JVM Stack & Heap
• JVM 이란?
• 그림으로 보는 자바 코드의 메모리 영역(스택 & 힙) 

☕ 그림으로 보는 자바 코드의 메모리 영역(스택 & 힙)

 

결론

JVM 에 대해 알아보았다. java 의 동작 원리에 대해 깊히 알지 못했는데, 이번 기회에 공부하면서 많은 걸 알게 되었다. 원래는 JVM 의 동작원리에 대해 알아보려 했는데, 그 안에서 내가 모르는 것들과, 까먹었던 것들이 많다는 것을 느꼈다. 앞으로 좀 더 채워나가야 할 것 같다.