JVM(자바 가상 머신)의 내부 구성 및 동작 원리

JVM(Java Virtual Machine)의 동작 방식

• 자바로 개발된 프로그램을 실행하면 JVM은 OS로부터 메모리를 할당.
• 자바 컴파일러(javac)가 자바 소스코드(.java)를 자바 바이트코드(.class)로 컴파일.
• Class Loader가 class파일들을 JVM Runtime Data Area로 로딩.
• Execution Engine이 class 파일들을 해석함(interpret).
• 해석된 바이트 코드는 Runtime Data Area의 각 영역에 배치되어 수행됨.
  Execution Engine에 의하여 GC, 스레드 동기화가 이루어짐.

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JVM의 구조

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클래스 로더(Class Loader)

 

자바는 동적으로 클래스를 읽어옴. 따라서 프로그램이 실행 중인 런타임에서야 모든 코드가 JVM과 연결됨.
이렇게 동적으로 클래스 로딩을 해주는 것이 클래스 로더.

 

자바에서 소스코드를 작성하면 .java파일이 생성되고 .java파일을 컴파일러가 컴파일하면 .class파일이 생성됨.

클래스 로더는 .class 파일을 묶어서 JVM이 운영체제로부터 할당받은 메모리 영역인 Runtime Data Area로 적재.

 

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실행 엔진(Execution Engine)

클래스 로더에 의하여 JVM으로 로드된 .class파일(바이트 코드)들은 Runtime Data Area의 Method Area에 배치됨.

JVM Method Area의 바이트 코드를 실행 엔진(Execution Engine)에 제공하여, 실행 엔진이 정의된 내용으로 바이트 코드를 실행.

실행 엔진은 바이트 코드를 명령어 단위로 읽어서 실행.

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가비지 컬렉터(Garbage Collector)

JVM은 가비지 컬렉터(Garbage Collector, GC)를 이용하여 사용자가 더이상 사용하지 않는 메모리를 자동으로 회수해줌.

개발자가 메모리를 관리하지 않아도 자동으로 관리해주므로 더욱 프로그래밍이 용이함.

Heap 메모리 영역에 생성된 객체들 중 참조되지 않은 객체들을 탐색 후 제거. 이 동작을 하는 구체적인 시간은 알 수 없음.

GC역할을 수행하는 스레드를 제외한 나머지 모든 스레드들은 일지 정지 상태가 됨. ("Stop-the-World")
아래 링크에서 자세히 확인할 수 있음.

가비지 컬렉션(Garbage Collection)

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런타임 데이터 영역(Runtime Data Area)

런타임 데이터 영역 = 프로그램을 수행하기 위하여 OS에서 메모리를 할당받은 공간.

 

런타임 데이터 영역은 JVM의 메모리 영역으로 자바 애플리케이션을 실행할 때 사용되는 데이터들을 적재하는 영역.

 

모든 스레드(Thread)가 공유해서 사용하는 영역(GC의 대상)

• 힙 영역(Heap Area)
• 메서드 영역(Method Area)

스레드(Thread)마다 하나씩 생성

• 스택 영역(Stack Area)
• PC 레지스터(PC Register)
• 네이티브 메서드 스택(Native Method Stack)

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메서드 영역(Method Area)

클래스 정보를 처음 메모리 공간에 올릴 때 초기화 되는 대상들을 저장하는 메모리 공간.

Class, Interface에 대한 런타임 Constant Pool, Static 변수, Method 및 Field 등을 보관.

• Field Information
  • 클래스의 멤버 변수의 이름, 데이터 타입, 접근 제어자에 대한 정보를 저장
• Method Information
  • 클래스 멤버 메소드의 이름, 반환 타입, 매개변수, 접근 제어자에 대한 정보 저장 
• Constant Pool
  • 클래스에서 사용된 상수가 저장
• Static Variable
  • 정적(static) 변수들에 대한 정보들이 저장
• Type Information
  • 타입이 class 혹은 interface인지 여부, 패키지명, Super Class 정보 저장

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힙 영역(Heap Area)

• new 키워드로 생성된 객체와 배열이 생성되는 영역
• 주기적으로 GC가 제거해주는 영역

힙 영역은 효율적인 GC를 위하여 위와 같이 크게 3가지의 영역으로 나누어짐.

 

Young Genertation(Eden+Survivor) 영역 - 자바 객체가 생성되자마자 저장, 생긴지 얼마 되지 않은 객체들이 저장되는 영역.

 

Heap 영역에 객체가 생성되면 최초로 Eden 영역에 할당. Eden 영역에 데이터가 어느정도 할당되게 되면 참조정도에 따라 Survivor의 빈 공간으로 이동 or 회수됨.

 

Young Generation(Eden+survivor)영역이 차게되면 다시 한 번 참조 정도에 따라 Tenured Generation(Old)영역으로 이동하거나 회수됨. Young Generation - Tenured Generation 사이의 GC를 Minor GC라고 함.

Old 영역 에 할당된 메모리가 허용치를 넘게되면 Old 영역에 있는 모든 객체들을 검사하여 참조하지 않는 객체를 한꺼번에 삭제(GC)

이 작업은 시간이 오래걸리며 GC를 실행한 스레드를 제외한 모든 스레드는 작업을 멈추게됨("Stop-the-World")

이렇게 "Stop-the-World"가 발생하고 Old 영역의 메모리를 회수하는 GC를 Major GC라고 함.

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스택 영역(Stack Area)

지역 변수, 매개 변수, 반환 값 등이 생성되는 영역.

메서드가 호출될 때 메모리에 할당되고 메서드가 종료되면 할당 해제.

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PC 레지스터(PC Register) - 프로그램 카운터

Thread가 생성될 때마다 생성되고 현재 스레드가 실행되는 부분의 주소와 명령을 지정하고 있는 영역.

각 스레드마다 하나씩 존재.

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네이티브 메서드 스택(Native Method Stack)

자바 이외의 언어(C, C++, 어셈블리 등)으로 작성된 네이티브 코드를 실행할 때 사용되는 메모리 영역. - 일반적으로 C 스택을 사용.

보통 C/C++ 등의 코드를 수행하기 위한 스택을 말하며 JIN(Java Native Interpreter)를 통하여 바이트 코드로 전환하여 저장.

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참고

https://coding-factory.tistory.com/828