[JAVA] JVM 가상머신 메모리 구조

JVM 가상머신, JVM 구조

JAVA와 OS 사이에서 중개자 역할을 수행하여 JAVA가 OS에 구애받지 않고 재사용을 가능하게 해준다.
메모리 관리, Garbage collection을 수행한다.

실행과정

1. JVM은 OS로부터 프로그램이 필요로 하는 메모리를 할당 받는다. (메모리를 여러 영역으로 나누어 관리)
2. 자바 컴파일러(javac)가 자바 소스코드(.java)를 바이트코드(.class)로 변환시킨다.
3. Class Loader를 통해 class 파일들을 JVM으로 로딩한다. 로딩된 클래스는 Runtime Data Area에 배치된다.
4. Execution Engine이 class 파일들을 해석(interpret)한다.
5. 해석된 바이트코드는 Runtime Data Areas에 배치되어 실질적인 수행이 이루어지게 된다.

JVM

JVM 구성

Class Loader(클래스 로더)

JVM내로 클래스를 로드하고, 링크를 통해 배치하는 작업을 수행하는 모듈
Runtime 시에 동적으로 클래스를 로드한다. .jar 안에 있는 클래스들을 JVM위에 탑재하고 사용하지 않는 클래스들은 메모리에서 삭제한다. 자바는 동적코드, 컴파일 타임이 아니라 런타임에 참조한다. 즉, 클래스를 처음으로 참조할 때, 해당 클래스를 로드하고 링크한다.

Execution Engine(실행엔진)

클래스를 실행시키는 역할
클래스 로더가 JVM내의 런타임 데이터 영역에 바이트 코드를 배치시키고, 이것은 실행엔진에 의해 실행된다. 자바 바이트 코드는 기계가 바로 수행할 수 있는 언어보다 비교적 인간이 보기 편한 언어로 되어있다. 그래서 실행 엔진은 이와 같은 바이트코드를 실제로 JVM 내부에서 기계가 실행할 수 있는 형태로 변경한다. 위의 두 가지 방식을 사용한다.

Interpreter(인터프리터)

자바 바이트 코드를 명령어 단위로 읽어서 실행. 자바 인터프리터가 한 줄씩 해석하여 기계어로 번역함
단점: 한 줄 씩 수행하는 방식이 느리다.

JIT(Just - In - Time)

인터프리터 방식의 단점을 보완하기 위해 도입된 컴파일러.
인터프리터 방식으로 실행하다가 적절한 시점에 바이트코드 전체를 컴파일하여 네이티브 코드로 변경하고, 이후에는 더 이상 인터프리팅하지 않고 네이티브 코드로 직접 실행하는 방식이다. 네이티브 코드는 캐시에 보관하기 때문에 한 번 컴파일된 코드는 빠르게 수행된다.

JIT컴파일러가 컴파일하는 과정은 바이트코드를 인터프리팅하는 것보다 훨씬 오래걸리므로 한 번만 실행되는 코드라면 컴파일하지 않고 인터프리팅하는 것이 유리

따라서 JIT 컴파일러를 사용하는 JVM들은 내부적으로 메서드가 얼마나 자주 수행되는지 체크하여, 일정 정도를 넘을 때에만 컴파일을 수행한다.

Garbage collector

GC를 수행하는 모듈(스레드)

Runtime Data Area

프로그램을 수행하기 위해 OS에서 할당받은 메모리 공간

RuntimeDataArea

1) 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.

2) JVM Stack

프로그램 실행과정에서 임시로 할당되었다가 메소드를 빠져나가면 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. 메소드 수행이 끝나면 프레임 별로 삭제를 한다. 메소드 안에서 사용되는 값들(local variable)을 저장한다. 또 호출된 메소드의 매개변수, 지역변수, 리턴 값 및 연산 시 일어나는 값들을 임시로 저장한다.

3) Native Method Stack

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 Interface(JNI)를 통해 바이트 코드로 전환하여 저장하게 된다. 일반 프로그램처럼 커널이 스택을 잡아 독자적으로 프로그램을 실행시키는 영역이다. 이 부분을 통해 C code를 실행시켜 Kernel에 접근할 수 있다.
⇒ 다른 언어(C/C++) 의 메소드 호출을 위해 할당되는 구역

4) Method Area (= Class area = Static area)

클래스 정보를 처음 메모리 공간에 올릴 때 초기화되는 대상을 저장하기 위한 메모리 공간.
JVM이 읽어들인 클래스, 인터페이스에 대한 런타임 상수 풀, 메소드와 필드, Static 변수, 메소드 바이트 코드 등을 보관
⇒ Runtime Constant Pool이라는 별도의 관리 영역이 존재하며, 상수 자료형을 저장하여 참조하고 중복을 막는 역할을 수행한다.
저장되는 정보의 종류

• Field Information
  • Class의 멤버변수 이름, 데이터 타입, 접근 제어자에 대한 정보 저장 (int three;)
• Method Information
  • Class 멤버메소드의 이름, 리턴 타입, 매개변수, 접근 제어자에 대한 정보 저장 (int multiply(int a, intb))
• Type Information
  • Type이 class/interface인지 여부 저장, 패키지명, Super Class 정보 저장
• Static Variable
  • static 변수들에 대한 정보들이 저장됨 (static int ONE)
• Constant Pool
  • Class에서 사용된 상수가 저장되는 영역 (static final int URI)5) Heap(힙 영역)객체를 저장하는 가상 메모리 공간. new 연산자로 생성된 객체들이 저장된다. Method area 영역에 올라온 클래스들만 객체로 생성할 수 있다.

5) Heap(힙 영역)

객체를 저장하는 가상 메모리 공간. new 연산자로 생성된 객체들이 저장된다. Method area 영역에 올라온 클래스들만 객체로 생성할 수 있다.

힙은 세 부분으로 나뉜다.

Heap

Permanent Generation
Class Loader에 의해 load되는 Class, Method 등에 대한 Meta 정보가 저장되는 영역으로 JVM에서 사용된다. Reflection을 사용하여 동적으로 클래스가 로딩되는 경우에 사용된다.
New/Young Generation

• Eden
  • 객체들이 최초로 생성되는 공간
• Survivor 0/1
  • Eden에 참조되는 객체들이 저장되는 공간

Old Generation
New 영역에서 참조되고 있는(살아남은 객체들이 저장되는) 공간 Eden영역에 객체가 가득차게 되면 첫 번째 GC(minor GC)가 발생한다. Eden 영역에 있는 값들을 Survivor 영역에 복사하고 이 영역을 제외한 나머지 영역의 객체를 삭제한다.

2021/01/22 - [프로그래밍 노트/JAVA] - [JAVA] 가비지 컬렉터(GarabageCollector,GC)