오늘은 JVM에 대해서 알아본다.
JVM이란?
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Java Virtual Machine의 약자
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Java 프로그램이 실행되는 가상 머신을 의미
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내부적으로 thread 및 메모리를 관리해 하나의 컴퓨터처럼 동작한다.
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java 코드가 컴파일된 class 파일을 읽어서 실행
JVM을 쓰는 이유
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java의 기본 특징 write once, run everywhere를 보장하기 위한 수단
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메모리 관리 및 다양한 운영체제에서의 호환성을 위해 사용됨
JVM의 호환성과 안정성
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JVM은 class 파일을 jvm machine instruction을 해석해서 동작
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Java 언어의 한계를 극복하고자, 문법이 더 좋게 만들어진 언어들도 그 결과물을 class 파일로 만들어 JVM에서 동작하도록 함
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이러한 전략들을 통해 JVM은 더욱 다양한 분야에서 사용되고 있음
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이러한 언어들로는 Groovy, Scala, Kotlin 등이 있음
JVM의 메모리
JVM 메모리 구성 요소
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Stack Area
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JVM에서 스레드를 생성하면 stack 영역이 자동으로 생성. 해당 스레드 안에서만 사용할 수 있는 stack 자료구조.
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Local Variadble Array : 해당 스레드에서 필요한 지역변수들을 array로 저장
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Operand Stack : 계산의 중간 결과물 저장
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Frame Data : 상수 풀과 excpetion table을 가짐
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PC Register
- 수행할 JVM machine instruction을 올려놓는 PC register 공간. 운영체제의 PC register와 같은 역할(프로세서가 수행할 다음 명령어의 주소를 일시적으로 저장)을 담당한다.
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Native Method Area
- Java는 JNI(Java Native Interface)를 통해서 native library를 호출할 수 있음. 이 때 호출되는 네이티브 메소드 정보는 JNI호출을 수행하는 스레드에 올라옴
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Shared Memory(JVM Heap)
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모든 스레드에서 공유되는 자원
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메소드와 Heap 영역의 분리는 논리적인 개념의 구분임
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메소드 영역 : class, method, static variables 등을 저장. 불변
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Heap 영역 : Java object들의 저장소. GC의 대상이 되는 영역.
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JVM Heap 구조
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Metadata Space
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변하지 않는 정보(Class, Method, static 변수)를 저장
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GC의 대상이 아님
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Eden Space(Young Gen)
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객체가 생성되면 위치하는 공간
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Minor GC, Full GC의 대상 공산
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Survivor Space(Young Gen)
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Eden의 객체가 GC에서 살아남으면 위치하는 공간
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Space 0과 1은 교차되며 저장하고 비운다.
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Minor GC, Full GC의 대상 공간
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Tenured Space(Old Gen)
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Young Gen에서 오래 살아남은 객체가 최종적으로 머무는 공간
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Major GC, Full GC의 대상 공간
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Old Gen의 사용량/점유율이 높을수록 GC에 의해 성능의 부하가 크다.
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Memory 설정
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최소 메모리(Xms128m) : JVM이 기동할 때 필요한 메모리 공간
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최대 메모리(Xmx128m) : xms로 시작해서 최대 도달 가능한 메모리 공간. 보통 xms와 xmx를 같게 설정하여 모니터링 및 운영을 쉽게 할수 있도록 함
JVM의 GC
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GC의 과정
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Minor GC
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New object는 Eden에서 생성
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Eden이 가득차면 minor GC가 수행됨
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GC 이후 살아남은 객체는 비어있는 Survivor-1 영역으로 이동
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몇 번의 minor GC에도 살아남은 Survivor-1 영역의 객체는 Old Gen 영역으로 이동
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Eden과 survivor-0은 비워짐
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여기서 또 한번의 minor GC가 일어나면 Survivor-0과 Survivor-1의 역할이 바뀌며 같은 동작을 반복한다.
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Eden → Survivor에서 Memory copy가 발생
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Survivor → Old Gen에서 Memory copy가 발생
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Major GC
- Major GC는 Old Gen 영역을 정리하는 GC
- GC 알고리즘에 따라 언제 수행되는지 달라짐
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Full GC
- Minor GC와 Major GC가 동시에 일어나는 현상. Full GC수행은 STW(Stop The World)를 유발한다.
- GC 알고리즘 중 하나인 G1GC는 이 Full GC를 최소화하도록 설계됨
하지만 알고리즘이 모든 것을 보장해주지는 않음. 객체의 주기를 짧게 가져가도록 프로그래밍하고, 오래 살아남는 객체를 최소화 하면 Full GC가 최소한으로 일어나도록 할 수 있음
GC의 동작 과정
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Graph
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Mark : GC root에서 시작해서 참조하는 객체를 찾아가며 Mark
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Sweep : Mark되지 않은 객체는 제거
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Compact : Sweep에 의해 발생된 Fragmentation을 정리(연속된 메모리 공간으로 재할당)
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GC root가 되는 항목들
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JVM stack의 변수
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Method Area의 static 데이터
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JNI에서 생성된 객체
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GC의 종류
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Serial GC
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싱글 스레드
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느리고 STW가 길다
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Mark, Sweep, Compact를 사용
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Parallel GC
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Young Gen의 GC를 멀티 스레드로
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Serial GC에 비해 STW가 짧음(그림 참조)
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ParallelOldGC는 old 영역까지 멀티 스레드로
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Java 7, 8의 기본 GC
- 설정법 : -XX:+UseParallelGC
- ParalledOldGC 설정법
- -XX:+UseParallelOldGC
- -XX:+ParallelGCThreads=n (스레드 수 지정)
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CMS GC
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STW를 줄이기 위해 만든 GC
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Mark를 4단계로 구분해서 수행
- Initial Mark : GC Root가 참조하는 객체만 Mark
- Concurrent Mark : 다른 스레드가 실행중인 상태에서 나머지 Mark(STW가 일어나지 않음)
- Remark : Concurrent Mark 이후에 변경된 것을 추가하거나 삭제
- Concurrent Sweep : 접근하지 못하는 객체를 삭제(STW 일어나지 않음)
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단점
- 다른 GC보다 CPU와 Memory를 더 많이 사용
- Compaction 단계가 기본 제공되지 않음
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설정
- -XX:+UseConcMarkSweepGC
- -XX:+CMSInitiatingOccupancyFraction=n(Old 영역의 % 지정)
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G1 GG
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CMS의 Fragmentation을 줄이고, GC 부하를 낮추기 위해 고안
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Region 단위로 블럭을 나누어 관리(논리적 구분)
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가득 차거나 Garbage가 많은 Region만 GC의 대상임
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한 번에 young 및 old의 모든 영역을 GC하지 않음으로 빠르게 처리됨
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Memoty Fraction이 적음
- Region 크기의 50% 초과하는 객체를 따로 관리(Humongous region)함으로써 큰 객체에 의한 Fragmentation을 줄임
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Minor GC
- Region이 가득 차면, 살아남을 객체를 다른 Region에 할당하고, 해당 Region에는 역할(Survivor)영역을 부여함
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Major GC
- 빠르게 메모리를 회수할 수 없을 때 수행됨
- Garbage가 많은 지역을 대상으로 GC 수행
- 각 대상에 대해 concurrent하게 수행
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설정
- -XX:+UseG1GC
- Java 9 이상의 기본 GC
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