JVM 내부 구조
1. JVM란?
JAVA Virtual Machine의 약자로 (가상머신이란 프로그램을 실행하기 위해 물리적 머신과 유사한 머신을 소프트웨어로 구현한 것) JVM의 역할은 자바 애플리케이션을 클래스 로더를 통해 읽어 들여 자바 API와 함께 실행하는 것이다. 또한 JAVA와 OS 사이의 중개자 역할을 수행하여 텍스트로 만든 소스 코드를 javac 명령을 이용해 컴파일하면 확장자가 class인 byte 코드가 생성된다. 이 byte 코드를 실행하기 위해 java 명령을 사용한다. java 명령은 인터프리터로서 byte 코드를 한 줄씩 해석해서 JVM 내에서 실행한다. 즉 OS와 통신하지 않기 때문에 기본적으로 플랫폼에 독립적이다.
C언어를 살펴보면 C언어는 텍스트로 소스 코드를 작성하고 컴파일러를 이용해서 컴파일과 링킹 과정을 거친다. 그 결과물은 바이너리로 흔히 실행 파일이라고 부른다. 이 바이너리를 실행하면 OS가 기계어로 번역해서 CPU에 전달한다.
문제는 OS마다 이 바이너리를 해석하는 방식이 다르다는 점이다. 즉 맥(MAC)에서 컴파일된 결과는 맥(MAC)에서만 유효하고 윈도우(Windows)에서는 유효하지 않다. 이런 종류의 프로그램을 플랫폼 종송적이라고 한다.
바이트코드란?
가상 컴퓨터에서 작동하도록 만든 이진코드이다.
자바 바이트코드란 JVM이 이해할 수 있는 언어로 변환된 코드이며 명령어의 크기가 1바이트라서 자바 바이트코드라고 불린다. 자바 코드를 배포하는 가장 작은 단위이다.
2. JVM의 동작 방식 자바 프로그램의 실행과정
1. 프로그램이 실행되면 JVM은 OS로부터 이 프로그램이 필요로 하는 메모리를 할당받는다. JVM은 이 메모리를 용도에 따라 여러 영역으로 나누어 관리한다.
2. 자바 컴파일러(javac)가 자바 소스코드(.java)를 읽어들여 자바 바이트코드(.class)로 변환시킨다.
3. Class Loader는 동적 로딩을 통해 필요한 클래스들을 로딩 및 링크 하여 Runtime Data Area(실질적인 메모리를 할당 받아 관리하는 영역)에 올린다.
4. Runtime Data Area에 로딩 된 바이트 코드는 Execution Engine을 통해 해석된다.
5. 이 과정에서 Execution Engine에 의해 Garbage Collector의 작동과 Thread 동기화가 이루어진다.
3. JVM 구성요소
- 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)
- 메소드 영역
- 힙 영역
- PC Register
- 스택 영역
- 네이티브 메소드
- JNI - 네이티브 메소드 인터페이스 (Native Medthod Interface)
- 네이티브 메소드 라이브러리 (Native Method Library)
3-1. 클래스 로더(Class Loader)
- 클래스 로더는 JVM 내로 클래스 파일(*.class)을 동적으로 로드하고, 링크를 통해 배치하는 작업을 수행하는 모듈이다.
- 로드된 바이트 코드(.class)들을 엮어서 JVM의 메모리 영역인 Runtime Data Areas에 배치한다.
- 클래스를 메모리에 올리는 로딩 기능은 한번에 메모리에 올리지 않고, 어플리케이션에서 필요한 경우 동적으로 메모리에 적재하게 된다.
- 클래스 파일의 로딩 순서는 다음과 같이 3단계로 구성된다. (Loading → Linking → Initialization)
- Loading(로드) : 클래스 파일을 가져와서 JVM의 메모리에 로드한다.
- Linking(링크) : 클래스 파일을 사용하기 위해 검증하는 과정이다.
- Verifying(검증) : 읽어들인 클래스가 JVM 명세에 명시된 대로 구성되어 있는지 검사한다.
- preparing(준비) : 클래스가 필요로 하는 메모리를 할당한다.
- Resolving(분석) : 클래스의 상수 풀 내 모든 심볼릭 레퍼런스를 다이렉트 레퍼런스로 변경한다.
- Initialization(초기화) : 클래스 변수들을 적절한 값으로 초기화한다. (static 필드들을 설정된 값으로 초기화 등)
3-2. 실행 엔진(Execution Engine)
- 실행 엔진은 클래스 로더를 통해 런타임 데이터 영역에 배치된 바이트 코드를 명령어 단위로 읽어서 실행한다.
- 자바 바이트 코드(*.class)는 기계가 바로 수행할 수 있는 언어보다는 가상머신이 이해할 수 있는 중간 레벨로 컴파일 된 코드이다. 그래서 실행 엔진은 이와 같은 바이트 코드를 실제로 JVM 내부에서 기계가 실행할 수 있는 형태로 변경해준다.
- 이 수행 과정에서 실행 엔진은 인터프리터와 JIT 컴파일러 두 가지 방식을 혼합하여 바이트 코드를 실행한다.
인터프리터(Interpreter)
- 인터프리터는 바이트 코드를 읽고(read), 운영체제가 실행할 수 있도록 기계어로 변경하는 역할을 수행 한다.
- 각 플랫폼에 맞는 인터프리터가 바이트 코드를 실행하기 때문에 Windows, Linux, Mac 어디에서든 실행될 수 있다.
- JVM 인터프리터는 런타임(runtime) 중에 바이트 코드를 한 라인씩 읽고 실행한다. 여기에서 속도가 문제가 발생한다. 바이트 코드 역시 기계어로 변환되어야 하기 때문에 C, C++ 처럼 미리 컴파일을 통해 기계어로 변경되는 언어에 비해 속도가 느려진다.
JIT(Just In Time) 컴파일러
- 인터프리터의 속도 문제를 해결하기 위해 디자인 된 기능
- 자주 실행되는 바이트 코드 영역을 런타임 중에 기계어로 컴파일하여 사용한다.
3-3. 가비지 컬렉터 (Garbage Collector ,GC)
- 자바 가상 머신은 가비지 컬렉터(garbage collector)를 이용하여 Heap 메모리 영역에서 더는 사용하지 않는 메모리를 자동으로 회수해 준다.
3-4. 런타임 데이터 영역 (Runtime Data Area)
메서드 영역 (Method Area)
- 메서드 영역은 JVM이 시작될 때 생성되는 공간으로 바이트 코드(.class)를 처음 메모리 공간에 올릴 때 초기화되는 대상을 저장하기 위한 메모리 공간이다.
- JVM이 동작하고 클래스가 로드될 때 적재되서 프로그램이 종료될 때까지 저장 된다.
- 모든 쓰레드가 공유하는 영역, 정적 필드와 클래스 구조에 대한 정보를 가지고 있음.
힙 영역 (Heap Area)
- 힙 영역은 메서드 영역와 함께 모든 쓰레드가 공유하며, JVM이 관리하는 프로그램 상에서 데이터를 저장하기 위해 런타임 시 동적으로 할당하여 사용하는 영역이다.
- new 연산자로 생성되는 클래스와 인스턴스 변수, 배열 타입 등 Reference Type이 저장되는 곳이다.
- 힙 영역에 생성된 객체와 배열은 Reference Type으로서, JVM 스택 영역의 변수나 다른 객체의 필드에서 참조
스택 영역 (Stack Area)
- 스택 영역은 int, long, boolean 등 기본 자료형을 생성할 때 저장하는 공간으로, 임시적으로 사용되는 변수나 정보들이 저장되는 영역이다.
PC 레지스터 (Program Counter Register)
- PC 레지스터는 쓰레드가 시작될 때 생성되며, 현재 수행중인 JVM 명령어 주소를 저장하는 공간
네이티브 메서드 스택 (Native Method Stack)
- 네이티브 메서드 스택는 자바 코드가 컴파일되어 생성되는 바이트 코드가 아닌 실제 실행할 수 있는 기계어로 작성된 프로그램을 실행시키는 영역이다.
- 또한 자바 이외의 언어(C, C++, 어셈블리 등)로 작성된 네이티브 코드를 실행하기 위한 공간
3-5. JNI (Java Native Interface)
- JNI는 자바가 다른 언어로 만들어진 어플리케이션과 상호 작용할 수 있는 인터페이스 제공하는 프로그램이다.
- JNI는 JVM이 Native Method를 적재하고 수행할수 있도록 한다.
