[Java] JVM에 대하여.

0. 🚶들어가며

 자바 프로그램이 어떤 방식으로 실행되는지에 대해 궁금해져 검색 중 JVM이라는 키워드를 발견했고 이에 대해 정리해보고자 글을 쓰게 되었습니다.

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1. 💻JVM이란 무엇인가?

Write Once, Run Anywhere.

 

 JVM은 Java Virtual Machine의 약자로 자바 가상 머신이라고 부릅니다. 자바는 한번 작성하면 플랫폼에 구애받지 않고 작동되어야 한다는 표어를 내세우고 있습니다. JVM은 자바와 운영체제 사이에서 중개자 역할을 하여 운영체제에 상관없이 프로그램을 실행할 수 있도록 도와줍니다.

 

 또한 JVM의 중요한 역할 중 하나는 메모리 관리입니다. 자바에서는 메모리 관리를 가비지 컬렉터(GC)를 사용해 자동으로 수행합니다. 이에 대한 내용 역시 다룰 것이 많아 관심이 있으시다면 아래 글을 참고해주세요!

[Java] Garbage Collection(GC)에 대하여.

 

 

 가상머신은 스택 스택 기반, 레지스터 기반 두 가지 방식으로 구현이 가능합니다. 이는 피연산자를 저장하고 다시 가져오는 메커니즘 차이인데요. JVM은 스택 기반으로 동작합니다. 간단하게 스택 기반이란 무엇인지에 대해 알아보겠습니다.

 위 그림과 같이 스택 기반 가상 머신은 피연산자를 스택에서 관리하는 것을 말합니다. 스택에서 POP과 PUSH만 해도 피연산자들을 찾고 저장할 수 있기 때문에 따로 피연산자의 메모리를 기억할 필요가 없다는 장점이 있습니다.

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2. 📚자바 프로그램 실행 과정

우선 우리가 작성한. java 파일이 기계어로 변경되어 실행될 때까지의 과정을 간단히 살펴보겠습니다.

 위 그림은 .java 파일이 컴파일러를 통해 .class라는 바이트코드로 변환되고 JVM에 의해 기계어로 변환되어 실행되는 과정을 간략하게 보여주고 있습니다. 이제 조금 더 자세히 알아보겠습니다.

 

 

 이 그림이 앞서 본 그림보다 조금 더 실행 과정을 자세히 표현한 그림입니다. 복잡해 보이지만 자바 프로그램 실행 과정을 차근차근 살펴보고 그 후 각 구성 요소가 어떤 기능을 하는지에 대해 설명드리겠습니다.

 

1) 자바 프로그램 실행 과정

1. 자바 프로그램을 실행하면 JVM은 OS로부터 프로그램이 필요로 하는 메모리를 할당받습니다. JVM은 이 메모리를 용도에 따라 여러 영역으로 나누어 관리합니다. (뒤에 서술할 Runtime Data Area)

 

2. 자바 컴파일러(javac)가 자바 소스코드(.java)를 읽어 들여 자바 바이트코드(.class)로 변환시킵니다. 그림 왼쪽 상단 부의 작업이 되겠습니다.

 

# 자바 바이트코드란?

• JVM이 이해할 수 있는 언어로 변환된 자바 소스 코드입니다.
• 자바 컴파일러에 의해 변환되는 코드의 명령어 크기가 1바이트라서 자바 바이트코드라고 불립니다.
• 자바 바이트코드는 JVM만 설치되어 있으면, 어떤 운영체제에서라도 실행될 수 있습니다.

3. Class Loader를 통해 class 파일들을 JVM으로 로딩합니다.

4. 로딩된 class파일들은 Execution engine을 통해 해석됩니다.

5. 해석된 바이트코드는 Runtime Data Areas 에 배치되어 실질적인 수행이 이루어지게 됩니다.

 

이러한 실행과정 속에서 JVM은 필요에 따라 Thread Synchronization과 GC같은 관리작업을 수행합니다.

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3. 📖JVM의 구성 요소

1) Class Loader (클래스 로더)

 JVM내로 클래스(.class파일)를 로드하고, 링크를 통해 배치하는 작업을 수행하는 모듈입니다. jar파일 내 저장된 클래스들을 JVM위에 탑재하고 사용하지 않는 클래스들은 메모리에서 삭제합니다.

 

 자바는 런타임에 클래스를 참조합니다. 즉, 클래스를 처음으로 참조할 때 해당 클래스를 로드하고 링크하는 것이고 그 역할을 클래스 로더가 수행합니다.

2) Execution Engine (실행 엔진)

 클래스를 실행시키는 역할을 합니다. 클래스 로더가 JVM내의 런타임 데이터 영역(Runtime Data Area)에 바이트코드를 배치시키고, 이것은 실행 엔진에 의해 실행됩니다.

 

 자바 바이트코드는 기계가 바로 수행할 수 있는 언어가 아니고 비교적 인간이 보기 편한 형태로 기술된 것입니다. 그래서 실행 엔진은 이와 같은 바이트코드를 실제 JVM내부에서 기계가 실행할 수 있는 형태로 변경한다.

 

 이 때 아래 두 가지 방식을 같이 사용합니다.

(1) Interpreter (인터프리터)

  실행 엔진은 자바 바이트코드를 명령어 단위로 읽어서 실행합니다. 하지만 이 방식은 인터프리터 언어의 단점인 느린 수행 속도를 가지고 있습니다.

 

 이 부분을 보면 자바가 컴파일 언어이자 인터프리터 언어이다 라는 말을 이해할 수 있게 됩니다.

(2) JIT(Just In Time)

  느린 속도를 가진 인터프리터 방식의 단점을 보완하기 위해 도입된 것이 바로 JIT 컴파일러입니다. 인터프리터 방식으로 실행하다 적절한 시점에 바이트코드 전체를 컴파일하여 네이티브 코드로 변경합니다. 이후 해당 코드는 더이상 인터프리팅 하지 않고 네이티브 코드로 직접 실행하는 방식입니다. 이렇게 변경된 네이티브 코드는 캐시에 보관하기 때문에 한 번 컴파일된 코드는 빠르게 수행됩니다. 

 

 JIT 컴파일러가 컴파일 하는 과정은 비용이 발생하는 작업입니다. 따라서 JVM은 모든 코드를 JIT 컴파일러 방식으로 실행하진 않고, 인터프리터 방식을 사용하다가 일정한 기준(해당 메서드가 얼마나 자주 수행되는지 등)을 넘길 때만 컴파일을 수행합니다.

3) Runtime Data Area

Runtime Data Area는 JVM이 프로그램을 수행하기 위해 OS에게 할당받은 메모리 공간입니다.

 

아래 그림을 살펴보고 하나하나 알아봅시다.

1) Method Area (Static Area)

 Method Area는 모든 스레드가 공유하는 메모리 영역입니다. 이곳에는 클래스 정보를 처음 메모리 공간에 올릴 때 초기화되는 대상을 저장하기 위한 메모리 공간입니다. 대표적으로 클래스, 인터페이스, 메서드,  필드, Static 변수 등의 바이트코드를 보관합니다. 

2) Heap Area

 객체를 저장하는 가상 메모리 공간입니다. new 연산자로 생성된 객체나 배열을 저장하게 되죠. Method Area에 있는 클래스 정보를 사용하여 객체를 만들게 되면 Heap Area에 생성이 됩니다.

 

 힙 영역은 GC와도 밀접한 관계가 있는데 이는 다음 글에서 자세히 다뤄보겠습니다.

3) Stack Area

 프로그램 실행 과정에서 임시로 할당되었다가 메소드를 빠져나가면 바로 소멸되는 특성의 데이터를 저장하기 위한 영역입니다. 각종 형태의 변수나 임시 데이터 등을 저장합니다. 메서드 호출 시 각각의 스택 프레임이 되고 메서드 수행이 끝나면 프레임 별로 삭제를 하게 됩니다. 호출한 메서드에 매개 변수, 지역 변수, 리턴 값 등을 임시 저장하는 공간입니다.

4) PC Register

 Thread가 시작될 때 생성되는 공간으로 스레드마다 하나씩 존재합니다. Thread가 어떤 부분에 있는 명령을 실행해야 하는지에 대한 기록을 하는 부분으로 현재 수행 중인 JVM 명령의 주소를 갖습니다.

5) Native Method stack

  자바 프로그램이 컴파일되어 생성되는 바이트코드가 아닌 실제 수행할 수 있는 기계어로 작성된 프로그램을 실행시키는 영역입니다.

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4. 💨나가며

 이번 글에서는 자바프로그램이 실행되는 과정과 JVM에 대하여 알아보았습니다.

 

이번 주제의 내용이 쉽진 않았지만 자바 프로그램이 실행되는 메커니즘을 훑어볼 수 있어서 도움이 많이 되었던 것 같습니다.

 

클래스 로더나 Runtime Data Area의 경우 자바를 배우는데 깊은 이해를 줄 수 있을 것 같아서 이에 대해 기회가 되면 다시 한번 글을 작성해보도록 하겠습니다.

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Reference)

#자바가상머신, JVM(Java Virtual Machine)이란 무엇인가?

[JAVA] JVM과 자바 코드의 동작

JVM 메모리 구조란? (JAVA)