JVM 작동 방식

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< JVM(Java Virtual Machine) >

  • JVM 역할은 자바 애플리케이션을 클래스 로더를 통해 읽어 들여 자바 API와 함께 실행하는 것
  • 또한, Java와 OS 간의 중개자 역할을 수행하여 OS에 구애받지 않고 재사용을 가능하게 한다.
  • 메모리관리 및 Garbage Collection 역할을 수행하며 Stack 기반의 가상머신이다.

< Java 프로그램 실행 과정 >

Imeage

  1. 프로그램이 실행되면 JVM은 OS로부터 이 프로그램이 필요로 하는 메모리를 할당받는다.
  2. 자바 컴파일러(javac)가 자바 소스코드(.java)를 읽어들여 자바 바이트코드(.class)로 변환시킨다.
  3. Class Loader를 통해 class파일들을 JVM으로 로딩한다.
  4. 로딩된 class파일들은 Execution engine을 통해 해석된다.
  5. 해석된 바이트코드는 Runtime Data Areas 에 배치되어 실질적인 수행이 이루어지게 된다.

Class Loader(클래스 로더)

  • 클래스 로더는 .class 파일을 읽어 바이트 코드를 메소드 영역(Method Area)에 저장한다.
  • Runtime 시에 클래스를 처음으로 참조할 때, 해당 클래스를 로드하고 링크하는 역할을 수행한다.

< Runtime Data Area >

Imeage

  • 프로그램 수행을 위해 os로부터 할당받는 메모리 영역으로 5가지로 볼 수 있다.

Method area

  • 클래스 정보를 처음 메모리 공간에 올릴 때 초기화되는 대상을 저장하기 위한 메모리공간이다.
  • 클래스 이름, 부모 클래스 이름, 메소드, 변수 정보 등과 같은 수준의 모든 클래스 정보와 static 변수들을 저장한다.

Heap area

  • 모든 객체를 저장하는 가상 메모리 공간이다. new 연산자로 생성된 객체와 배열을 저장한다.

Stack area

  • 프로그램 실행과정에서 임시로 할당되었다가 메소드를 빠져나가면 바로 소멸되는 특성의 데이터를 저장하기 위한 영역이다.
  • 각종 형태의 변수나 임시 데이터, 스레드, 메소드 정보를 저장한다.

PC Registers

  • Thread가 어떤 부분을 명령으로 실행해야할 지에 대한 기록을 하는 부분으로 현재 수행중인 JVM 명령의 주소를 가진다.

Native Method Stacks

  • 자바 프로그램이 컴파일되어 생성되는 실제 실행할 수 있는 기계어로 작성된 프로그램을 실행시키는 영역이다.

< Execution Engine(실행 엔진) >

  • 바이트 코드로 된 .class 파일을 실행한다. 바이트 코드를 한줄씩 읽고 다양한 메모리 영역에 나타난 데이터와 정보를 사용한다.

Interpreter

  • 실행 엔진은 바이트코드를 한줄씩 읽어서 실행한다. 단점은 여러번 하나의 메소드를 호출할 경우 매번 해석을 요청해야하기 때문에 비효율적이다.

JIT(Just-In-Time)

  • 인터프리터 방식의 단점을 보완하기 위해 도입된 JIT 컴파일러이다.
  • 전체 바이트 코드를 컴파일하고 네이티브 코드로 변경하여 더이상 인터프리팅 하지 않고 네이티브 코드로 직접 실행하는 방식이다.
  • JIT 컴파일러를 사용하는 JVM은 내부적으로 해당 메서드가 자주 수행되는지 체크하고, 일정 정도를 넘을 때 네이티브 코드로 변경한다.

< Garbage Collector >

  • 메모리 관리를 위한 방법 중의 하나로, Heap 영역 안의 Garbage를 찾아내서 Heap의 메모리를 회수한다.
  • 참조되고 있지 않은 객체를 Garbage라고 하며, Garbage를 판별하기 위해 Reachability 개념을 사용한다.
  • 한 객체가 다른 객체를 참조하며 다른 객체는 또다른 객체를 참조할 경우에는 유효한 최초의 참조가 무엇인지 파악해야 되는데, 이를 객체 참조의 root set이라고 한다.
  1. 힙 내의 다른 객체에 의한 참조
  2. Java 스택, 즉 Java 메서드 실행 시에 사용하는 지역 변수와 파라미터들에 의한 참조
  3. 네이티브 스택, 즉 JNI(Java Native Interface)에 의해 생성된 객체에 대한 참조
  4. 메서드 영역의 정적 변수에 의한 참조
  • 2, 3, 4번의 참조의 경우 root set이 되어 reachability를 판가름하는 기준이 된다.
  • 즉 root set으로부터 시작한 객체들은 reachable이며, root set과 무관한 객체들이 unreachable 객체로 GC의 대상이 된다.

메모리 누수 현상

  • 컴퓨터 프로그램이 필요하지 않은 메모리를 계속 점유하고 있는 현상이다.
  • 메모리 동적 할당시 Heap 영역에 할당되는데, 사용자가 해제하지 않는 경우 Heap 영역 메모리 공간을 계속 차지하게 된다.
  • 이는 메모리 부족으로 시스템이 다운될 수도 있는 위험이 있다.
  • Java에서 Garbage Collector가 없다면 메모리 누수의 위험이 높다.

< 참조 >