Published 2022. 5. 22. 03:38

JVM 구조, JVM 메모리 구조

개발 저장소/Java Inventory

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JVM

JVM 이란?

Java Code 나 Application 을 실행시키기 위한 런타임 환경을 제공해주는 엔진이다.

Java 코드를 ByteCode 로 변환해준다.

JVM 은 Java Runtime Environment(JRE)의 일부이다.

다른 언어의 컴파일러와는 다르게, Java 컴파일러는 JVM 이 인식할 수 있는 코드를 생성해낸다.

JVM 기능

Java 코드를 ByteCode 로 변환한다. (ByteCode 는 인터프리팅 된다.)

JVM 은 메모리 공간 할당을 담당한다.

Java Code <-> JVM <-> System

Working of Virtual Machine (JVM)

Class Loader -> Byte Code Verifier -> Execution Engine

JVM 구조

https://www.guru99.com/images/1/2.png

Class Loader

클래스 파일을 로딩하기 위한 하위 시스템이다.

세 가지 주요 기능이 있다.
Loading, Linking and Initialization

Loading

클래스 로더는 .class 파일을 읽고, 바이너리 데이터를 생성하여 메소드 영역에 저장한다.
또한 각 .class 파일 마다 JVM은 아래의 세 가지 정보를 메서드 영역에 저장한다.

1. 로드된 클래스와 그 모든 연관 부모 클래스
2. .class 파일이 Class or Interface, Enum 과 관련 있는 것인지 체크 후 저장
3. 수정자, 변수와 메서드 정보 등

즉 .class 파일, 로드된 클래스와 연관있는 모든 것들을 JVM 메서드 영역에 저장한다.

.class 를 로딩을 마친 후에, JVM 은 Heap 영역에

이 파일들을 나타내기 위해 Class 유형의 객체를 생성한다.

이렇게 만들어진 Class 객체를 우리가 getClass() 등으로 코드 관점에서도 사용이 가능한 것이다.

Linking

Verification, Preparation, Resolution 을 수행한다.

    <Verification>
        .class 파일이 올바른 형식으로 지정되고, 유효한 컴파일러에 의해 생성되었는지 확인한다.

        확인에 실패 했을 때 RuntimeException 혹은 java.lang.VerifyError 가 발생한다.

        이 과정이 끝났다면, 클래스 파일을 컴파일 할 준비가 완료 된 것이다.

    <Preparation>
        클래스 변수에 메모리를 할당하고 메모리를 기본값으로 초기화한다.

    <Resolution>
        간접 참조 방식을 직접 참조 방식으로 바꾸는 과정이다.

        참조된 엔티티를 찾기 위하여 메서드 영역을 검색한다.

Initialization

모든 static 변수가 코드 및 static block 에 정의된 값으로 할당된다. (static 키워드가 들어간 요소들 메모리 할당)

부모에서 자식 순으로 수행된다.

--> static 요소들 메모리 할당 --> 부모 클래스 메모리 할당 --> 자식 클래스 메모리 할당 --> 기타 요소들 할당

Class Loader 의 종류

[ Bootstrap ]

모든 JVM 은 반드시 Bootstrap 클래스 로더를 구현하여, 신뢰성이 있는 loading 된 클래스를 사용할 수 있다.

JAVA_HOME/jre/lib 디렉터리에 존재하는 Java 핵심 API 클래스들을 로드 한다.

Bootstrap 은 C, C++ 과 같은 Native 언어로 구현된다.

근본 경로에 존재하는 클래스를 로딩

[ Extension class loader ]

Bootstrap class loader 의 자식으로, JAVA_HOME/jre/lib/ext (확장경로) 또는

java.ext.dirs 시스템 속성으로 지정된 기타 디렉터리에 있는 클래스를 로드한다.

확장 경로에 존재하는 클래스를 로딩

[ System-Application class loader ]

extension class loader 의 자식으로, application 클래스 경로에 존재하는 클래스를 로드한다.

내부적으로 java.class.path 에 매핑된 환경 변수를 사용한다.

애플리케이션 경로에 존재하는 클래스를 로딩

Class Loader 동작도

JVM Memory 구조

Method Area

클래스 구조(클래스 이름, 부모 클래스 이름, 메서드 및 변수 정보) 등과 같은 모든 클래스 수준의 정보를 저장하고,

static 변수 등을 가지고 있다.

JVM 당 하나의 메소드 영역을 가지고 있으며 이는 공유 될 수 있는 영역이다.

static 영역, 클래스 관점에서의 정보를 담고 있다. (공유 가능)

Heap

모든 객체 및 연관된 인스턴스 변수-배열 이 저장되는 장소이다.

이 공간은 공유될 수 있다.

객체와 관련된 정보들이 저장됨 (공유 가능)

Stack Area

모든 쓰레드에, JVM 은 각 하나의 런타임 스택을 만든다.

각 스택의 모든 블럭은 메서드 호출이 발생하면 이를 스택에 저장한다.

스택 프레임이라고 불리운다.

메서드의 지역 변수는 해당 프레임에 저장된다.

쓰레드가 메서드를 실행 -> 메서드를 쓰레드의 스택에 담음 -> 메서드와 관련된 지역 변수들 스택에 담음

(공유 가능)

PC Registers

스레드가 현재 실행중인 명령의 주소를 저장한다. 각 스레드 별로 별도의 PC 레지스터가 있다.

스레드 별로 실행중인 명령어 주소를 담는다.

Native method stacks

모든 스레드마다 각각 가지며, native method 정보를 가진다.

native 키워드를 통해 만들어진 native 메서드를 호출했을 때 이를 저장한다.

Method 영역 (공유 가능)

static 키워드로 선언된 요소들
클래스 이름, 부모클래스, 클래스 메서드, 클래스 변수 등

Heap (공유 가능)

인스턴스
인스턴스 변수

** GC가 참조 되지 않은 메모리를 확인하고 제거하는 영역

Stack (공유 가능)

메서드 내에서 사용되는 값들을 저장(매개변수, 메서드에서 선언한 변수, 리턴값 등)
지역변수(메서드에 의한 변수)

JVM 메모리 구조 도식화

실행 엔진

실행 엔진은 .class 파일을 실행시켜준다.

또한 byte 코드를 각 행마다 읽어들이며, 메모리 공간에 존재하는 데이터와 정보들을 이용하며 명령어를 실행시켜준다.

실행 엔진은 세 부분으로 분류 할 수 있다.

[ Interpreter ]

바이트 코드를 한줄 씩 해석한 다음 실행한다. 이 부분의 단점으로는 하나의 메서드를

여러번 호출 할 경우, 매번 해석을 해줘야한다.

[ Just-In-Time Compiler(JIT) ]

인터프리터의 효율을 증가시키기 위해 사용된다.

전체 바이트 코드를 컴파일하여 네이티브 코드(기계어)로 변경하므로, 인터프리터가 반복되는

메서드 호출을 볼 때마다 JIT 에서 해당 부분에 관한 네이티브 코드를 제공하므로

재 해석이 필요하지 않아 효율성을 증가시켜주는 방법이다.

[ Garbage Collector ]

참조되지 않은 객체를 정리해준다.