[Java] 자바 가상 머신 JVM이란 무엇일까요?

 

 

🤔 JVM이란 무엇일까요?

Java Virtual Machine

'자바 프로그램을 실행하기 위한 가상 기계(컴퓨터)'라고 할 수 있습니다.

자바는 운영체제에 종속적이지 않다는 특징을 가지고 있습니다.

 

작성된 자바 소스 코드(.java)는 자바 컴파일러(javac)를 통해 바이트 코드(.class)로 변환됩니다.

이 바이트 코드는 JVM에서 실행되고, JVM은 바이트 코드를 운영체제에 맞는 기계어로 해석하여 실행합니다.

이러한 JVM의 역할을 통해 여러 운영체에서 동일한 방식으로 자바 프로그램을 실행할 수 있습니다.

 

또한 JVM은 자동 메모리 관리를 제공합니다.

객발자가 객체에 할당된 메모리를 해제하지 않아도 Garbage Collection을 통해 사용되지 않는 객체를 자동으로 제거하여 메모리를 최적화합니다.

 

이러한 JVM의 역할로 자바는 안정성과 이식성을 보장하게 됩니다.

 

 

🛠 JVM의 구조

 

 

클래스 로더( Class Loader )

컴파일된 바이트 코드를 동적으로 로드하고 JVM의 메모리 영역인 Runtime Data Area에 배치합니다.

 

 

Loading -> Linking -> Initialization 순으로 진행됩니다.

 

로딩(Loading) : 컴파일된 바이트코드 파일을 읽어와 메모리에 로드합니다.

 

링크(Linking) : 로드된 클래스 파일의 바이트코드를 검증하고 필요한 리소스를 참조하는 등의 작업을 수행합니다. 이러한 과정은 3단계로 나뉩니다.

• 검증(Verfiy) : 로드된 클래스 파일이 JVM명세에 명시된 대로 구성되어 있는지 검사합니다.
• 준비(Prepare) : 클래스가 필요로 하는 메모리를 할당합니다.
• -분석(Resolving) : 클래스의 상수 풀 내 모든 심볼릭 레퍼런스를 실제 메모리 레퍼런스로 변환합니다.

초기화(Initialization) : 클래스 변수들을 적절한 값으로 초기화 합니다. (static 필드 초기화)

 

 

 

실행 엔진( Execution Engine )

클래스 로더를 통해 런타임 데이터 영역에 배치된 바이트 코드를 명령어 단위로 읽어서 실행합니다.

바이트 코드는 JVM에서 실행될 수 있도록 컴파일된 코드로 기계(OS)가 실행할 수 있는 형태로 변경해야 합니다.

바이트 코드를 기계어로 변경할 때, 인터프리터와 JIT컴파일러 방식을 혼합하여 변경합니다.

 

 

 

인터프리터(Interpreter)

바이트 코드 명령어를 한 줄씩 읽어들여 해당 명령어를 해석하고 실행합니다.

 

 

JIT컴파일러(Just-In-Time Compiler)

인터프리터의 단점을 보완하기 위해 도입된 방식으로 반복되는 코드를 발견하여 바이트 코드 전체를 컴파일하여 Native Code로 변경하고 이후에 해당 메서드를 더 이상 인터프리팅 하지 않고 캐싱해 두었다가 네이트브 코드로 직접 실행하는 방식입니다.

모든 방식을 JIT컴파일 방식으로 실행하지 않고 인터프리터 방식을 사용하다 일정 기준이 넘어가면 JIT 컴파일 방식을 사용합니다.

 

가비지 컬렉터(Garbage Collector, GC)

JVM은 GC를 이용하여 Heap 메모리 영역에서 더 이상 사용되지 않는 객체들을 탐지하고 제거하여 메모리를 관리합니다.

 

 

런타임 데이터 영역(Runtime Data Area)

JVM의 메모리 영역으로 자바 애플리케이션을 실행할 때 사용되는 데이터를 적재하는 영역입니다.

 

 

메서드 영역(Method Area)

JVM이 시작될 때 생성되는 공간으로 바이트 코드를 처음 메모리 공간에 올릴 때 초기화되는 대상을 저장하기 위한 메모리 공간입니다.

JVM이 동작하고 클래스가 로드될 때 적재되어 프로그램이 종료될 때까지 저장됩니다.

 

Class Metadata : 클래스의 이름, 부모 클래스의 이름, 인터페이스 정보 등 클래스의 구조적 정보와 접근 제어자, 멤버 변수, 메서드 등의 정보가 포함됩니다.

Static Variable : 클래스 수준의 변수인 정적 변수들이 저장됩니다. ( 모든 인스턴스가 공유하는 변수입니다 )

Method Code : 클래스의 정의된 메서드들의 바이트코드가 저장됩니다.

Runtime Constant Pool : 클래스에 대한 상수들을 저장하는 테이블입니다, 클래스, 메서드, 필드의 이름과 타입 정보, 리터럴 값 등이 포함됩니다.

Reflection Data : 리플렉션을 통해 클래스의 구조를 조사하고 조작하는 데 필요한 데이터가 포함됩니다.

이 데이터를 통해 JVM이 런타임시 클래스의 정보를 동적으로 검사하고 조작할 수 있습니다.

 

📌 Reflection?

자바의 리플렉션은 클래스나 멤버변수, 메서드, 생성자에 대한 정보를 가져오거나 수정하고, 런타임 시에 동적으로 객체를 생성하거나 메서드를 호출하는 등의 작업을 할 수 있게 해주는 자바 API입니다.

 

 

힙 영역(Heap Area)

메서드 영역에 저장된 클래스를 통해 생성된 모든 객체와 배열이 힙 영역에 할당됩니다.

힙영역은 프로그램의 실행 중에 동적으로 크기가 조정될 수 있으며, 모든 스레드에서 공유됩니다.

 

 

스택 영역(Stack Area)

스택 영역은 기본 자료형을 생성할 때 저장하는 공간으로, 임시적으로 사용되는 변수나 정보들이 저장되는 영역입니다.

LIFO 구조로 메서드 호출 시 스택 프레임(그 메서드만을 위한 공간)이 생성되고 스택 프레임 안에는 메서드 호출시 필요한 지역변수, 매개변수, 리턴 값, 메서드 호출 시점의 상태 등이 저장됩니다.

그리고 메서드가 종료될 때마다 프레임이 제거됩니다.

 

🚨 주의

데이터 타입에 따라 스택과 힙에 저장되는 방식이 다릅니다.

예를 들어 Member m = new Member("name", "age");라는 코드가 있을 때

new Member("name", "age")를 통해 생성된 객체는 힙 영역에 저장되고,

생성된 멤버객체의 참조인 m 만 스택 영역에 저장됩니다.

 

스택 영역은 각 스레드마다 하나씩 존재하며, 스레드가 시작될 때 할당됩니다.

프로세스가 메모리에 로드될 때 스택 사이즈가 고정되어 있어, 런타임 시에 스택 사이즈를 바꿀 수 없습니다.

만일 고정된 크기의 JVM스택에서 프로그램 실행 중 메모리 크기가 충분하지 않다면 StackOverFlowError가 발생하게 됩니다.

 

 

PC레지스터(PC register)

쓰레드(Thread)가 시작될 때 생성되며 현재 실행 중인 JVM명령어 주소를 저장합니다.

즉, 현재 실행 중인 바이트코드의 위치를 추적하고, 다음에 실행할 바이트코드의 위치를 결정합니다.

 

네이티브 메서드 스택(Native Method Stack)

바이트 코드가 아닌 실행할 수 있는 기계어로 작성된 프로그램을 실행시키는 영역입니다.

또한 자바 이외의 언어(C, C++ 등)로 작성된 네이티브 코드를 실행하기 위한 공간이기도 합니다.

메서드를 실행하는 경우 JVM스택에 쌓이다가 해당 메소드 내부에 네이티브 방식을 사용하는 메서드가 있다면 해당 메소드는 네이티브 스택에 쌓입니다.

그리고 네이티브 메소드가 수행이 끝나면 다시 자바 스택으로 돌아와 다시 작업을 수행합니다.

그래서 네이티브 코드로 되어 있는 함수의 호출을 자바 프로그램 내에서 직접 수행할 수 있고 그 결과를 받아올 수도 있습니다.

 

 

JNI( Java Native Interface)

자바 애플리케이션에서 네이티브 코드를 호출하고 통합하기 위한 인터페이스입니다.

JNI를 사용하면 자바 코드와 네이티브 코드 간의 상호 작용이 가능해집니다.

 

 

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📚 Reference

https://coding-factory.tistory.com/828,

https://inpa.tistory.com/entry/JAVA-%E2%98%95-JVM-%EB%82%B4%EB%B6%80-%EA%B5%AC%EC%A1%B0-%EB%A9%94%EB%AA%A8%EB%A6%AC-%EC%98%81%EC%97%AD-%EC%8B%AC%ED%99%94%ED%8E%B8