[JAVA] 알아보자, JVM (Java Virtual Machine)!

이인수·2023년 9월 11일

JRE JVM Java classLoader execution jdk runtime

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Java

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Java Virtual Machine (이하 JVM)은 '자바를 실행하기 위한 가상 기계' 정도로 직역할 수 있다.

JVM / JRE / JDK

JVM (Java Virtual Machine)

클래스 파일(.class) 안에 들어있는 자바 바이트코드를 인터프리터나 JIT컴파일러를 실행해 OS에 특화된 코드로 변환하여 실행하는 프로그램
JVM은 OS에 종속적이지만, Java는 OS에 종속적이지 않습니다. 따라서 Java의 중요한 철학인 WORA를 가능하게 합니다.
바이트 코드의 실행 방법에 대한 스펙이기 때문에 다양한 구현체가 있습니다.

JRE (Java Runtime Environment)

JVM과 런타임에 사용되는 라이브러리, 프로퍼티 세팅과 리소스 파일 등을 포함하는 패키지
Java 프로그램을 실행시키기 위해 필요

JDK (Java Development Kit)

JRE와 개발 시 필요한 다양한 개발 도구 포함하는 SDK
Java 프로그램을 직접 개발하기 위해 필요
vendor: Oracle, Amazon, Azul, BellSoft ...

JVM 구성요소

Runtime Data Area

모든 스레드들이 공유하는 영역
- Heap, Method
- JVM의 생명주기에 따라 생성 및 삭제
스레드 별 할당되는 영역
- PC Register, Stack, Navtive Method Stack
- 각 스레드의 생명주기에 따라 생성 및 삭제

Heap

클래스의 인스터스(객체)들과 배열들이 저장되는 공간
Garbage Collection에 의해 관리됨

Method (=Class =Static)

Runtime Constant Pool

클래스 마다 하나의 Constant Pool 존재 -> 클래스가 생성되어 Heap에 할당될 때 만들어지며 클래스가 삭제되면 삭제
Constant Pool의 Entry는 배열과 같이 인덱스 번호를 통해 접근
Type, Field, Method, Literal Constant로의 모든 심볼릭 링크 존재

Type Infomation

전체 이름 (패키지명 + 클래스명)
직계 부모, 자식 클래스 전체 이름
클래스, 인터페이스 여부
접근 제어자 (public / abstract / final)

Class Variable

static 키워드로 선언된 변수 의미

모든 인스턴스에 공유 되며 인스턴스가 없어도 직접 접근이 가능
이 변수는 인스턴스가 아닌 클래스에 속함
클래스를 사용 하기 이전에 이 변수들은 미리 메모리를 할당 받음
final로 선언 하는 경우 변수가 아닌 상수로 취급 되어 Runtime Constant Pool에 Literal Constant로 저장

Reference to class ClassLoader and class Class

Reference to class ClassLoader
- class가 JVM에 의해 load될 때 어떤 Class Loader에 의해서 load되었는지 정보가 저장
Reference to class Class
- class가 JVM에 의해서 load되면 항상 java.lang.class 클래스의 객체 생성
- method area에서는 type 정보의 일부로 해당 객체를 참조

Method Information

이름
리턴타입
매개변수 (갯수, 타입)
접근 제어자 (public / private / protected / static / final / syncronized / native / abstract)
구현 부분이 존재 하는 경우 (abstract, native가 아닌 경우)
- 바이트코드
- Method의 Stack Frame의 Operand Stack 및 지역 변수 배열
- Exception Table

Method Table

class의 method에 대한 Direct Reference를 갖는 자료구조
부모 클래스의 메소드에 대한 참조도 가짐

Field information

이름
타입
접근 제어자 (public / private / protected / static / final / volatile / transient)

PC Register

JVM이 현재 실행중인 명령어의 주소를 저장

Stack

Frame이라는 자료구조를 저장
C 언어 등 전통적인 언어의 스택 구조와 유사
- 지역 변수, 함수의 실행 결과를 저장하며 함수 호출과 반환을 담당

Frame

데이터, 반환 값을 저장하는 자료구조
- 지역 변수 배열, Operand Stack, RunTime Constant Pool에 대한 참조값
함수의 생명주기에 따라 생성 및 삭제
동적 할당은 코드 실행 시점에 심볼릭 링크를 해석해 고정된 주소값으로 변환
심볼릭 링크를 통해 객체 지향 언어의 핵심인 late-binding(dynamic binding) 구현

Native Method Stack

다른 언어로 작성된 코드를 실행할 때 사용되는 스택
JVM에 의해 컴파일된 바이트 코드가 아닌 실제 실행 할 수 있는 기계어로 작성된 네이티브 프로그램을 실행
Java Native Interface를 통해 바이트 코드로 전환하여 저장
커널이 스택을 선점해 독자적으로 프로그램을 실행

Class Loader

위임 모델
- 자신에게 클래스 로딩 요청이 들어오면 자신의 부모 클래스 로더에게 클래스 로딩 요청을 보내고 부모 클래스 로더가 클래스를 찾지못하면 그 후에 자신이 클래스를 탐색을 진행
계층 구조
- 상위 클래스 로더의 클래스는 하위 클래스에서 볼 수 있지만 그 반대는 불가능
- 이를 통해 클래스 로더의 책임은 분리하고 클래스 로더는 자신이 책임지는 클래스를 로딩

Bootstrap Class Loader

네이티브 코드로 작성되었으며 JVM에 내장
JVM이 시작될 때 실행되며 java.lang package 처럼 JVM 실행에 필요한 클래스들을 로딩할 때 사용

Platform Class Loader

java.lang.ClassLoader의 인스턴스로 Java SE platform API 등 자바에서 기본적으로 제공해주는 클래스를 로딩할 때 사용
Bootstrap Class Loader를 부모로 가짐
JAVA 8 이후 Extension Class Loader에서 Platform Class Loader로 명칭 변경

System Class Loader

java.lang.ClassLoader의 인스턴스로 유저가 작성한 클래스를 로딩할 때 사용
- ClassPath에 명시된 경로를 통해 클래스를 탐색
Platform Class Loader를 부모로 가짐
JAVA 8 이후 Applicaiton Class Loader에서 System Class Loader로 명칭 변경

Execution Engine

Oracle의 Hotspot 기준

코드를 컴파일 하는 방법을 최적화 하기 위해 라인별 adaptive compiler를 사용
라인별로 바이트 코드를 읽어 기계어로 변환해 실행하며 기본적으로는 인터프리터를 통해 실행을 하지만 자주 등장하는 바이트 코드일 경우 JIT 컴파일러를 사용해 컴파일을 하는 방법을 통해 실행 방법을 최적화

인터프리터

바이트코드 명령어를 하나씩 읽어서 해석하고 실행
장점
- 바이트코드 하나하나의 해석이 빠름
단점
- 인터프리팅 결과의 실행은 느림
- 동일한 바이트 코드를 매번 해석하기 때문에 비효율적

JIT(Just-In-Time) 컴파일러

인터프리터의 단점을 보완하기 위해 도입
인터프리터 방식으로 실행하다가 적절한 시점에 바이트코드 전체를 컴파일하여 네이티브 코드로 변경하고, 이후에는 해당 메서드를 더 이상 인터프리팅하지 않고 네이티브 코드로 직접 실행하는 방식
네이티브 코드를 실행하는 것이 하나씩 인터프리팅하는 것보다 빠르고, 네이티브 코드는 캐시에 보관하기 때문에 한 번 컴파일된 코드는 계속 빠르게 수행

출처

삐약🐣

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