Java on 0AndWild_log

JVM(JavaVirtualMachine) 파헤치기 (2)

Fri, 23 Sep 2022 22:27:28 +0900

JVM의 구성요소

1. 클래스 로더 (Class Loader)

JVM의 Class Loader는 javac에 의해 변환된 바이트코드 파일인 *.class 파일을 Runtime Data Areas에 로딩하여 프로그램을 구동한다.

💡

Class Loader의 로딩은 런타임에 일어나는데, 클래스에 처음 접근될 때 일어난다. 이를 통해 Lazy Loading Singleton이 구현되기도 한다.

Class Loading 시간엔 Thread-safe 하다.

2. 실행 엔진 (Execution Engine)

Class Loader가 Runtime Data Areas에 불러온 바이트 코드를 실행한다. 바이트 코드를 기계어로 변경해 명령어 단위로 실행하는데, 1바이트의 OpCode와 피연산자로 구성이 된다.

주요 구성요소

인터프리터 (Interpreter)
컴파일러 (Just-in-Time)

3. 가비지 콜렉터 (Garbage Collector)

Heap 영역에 참조되지 않는 오브젝트를 제거하는 역할을 한다.

자바 이전에는 프로그래머가 모든 프로그램의 메모리를 관리했다. 자바에서는 JVM이 가비지 컬렉션이라는 프로세스를 통해 프로그램 메모리를 관리한다.

ℹ️

가비지 컬렉션은 자바 프로그램에서 사용되지 않는 메모리를 지속적으로 찾아내서 제거하는 역할을 한다.

4. 런타임 데이터 영역 (Runtime Data Areas)

OS로부터 할당받은 JVM의 메모리 영역이다. 자바 어플리케이션을 실행하는데 필요한 데이터를 담는다.

Runtime Data Areas는 아래와 같이 5개의 영역으로 나뉘어 진다.

ℹ️

공유 영역

Method와 Heap 영역은 모든 Thread가 공유

Thread별 영역

Stack, PC Register, Native Method 영역은 각 Thread 마다 존재

(1) Method Area

JVM이 시작될 때 생성되고 JVM이 읽은 각각의 클래스와 인터페이스에 대한 런타임 상수 풀, 필드 및 메서드 코드, 정적 변수, 메서드의 바이트 코드 등을 보관한다.

💡

Non-Heap 영역으로 Permanent 영역에 저장이된다. JVM 옵션 중 PermSize(Permanent Generation의 크기)를 지정할 때 고려해야 할 요소이다.

1-1 Type Information

Interface 여부
패키지 명을 포함한 Type 이름
Type의 접근 제어자
연관된 Interface 리스트

1-2 Runtime Constant Pool

Type, Field, Method로의 모든 레퍼런스를 저장
JVM은 Runtime Contant Pool을 통해 메모리 상 주소를 찾아 참조한다.

1-3 Field Information

Field의 타입
Field의 접근 제어자

1-4 Method Information

Constructor를 포함한 모든 Method의 메타데이터를 저장
Method의 이름, 파라미터 수와 타입, 리턴 타입, 접근 제어자, 바이트코드, 지역 변수 section의 크기 등을 저장

1-5 Class Variable

static 키워드로 선언된 변수를 저장
기본형이 아닌 static 변수의 실제 인스턴스는 Heap 메모리에 저장

(2) Heap Area

new 연산자로 생성된 객체를 저장하는 공간이다.

ℹ️

참조하는 변수나 필드가 존재하지 않으면 **GC(Garbage Collector)**의 대상이 된다.

(3) Stack Area

Thread마다 별개의 Frame으로 저장하며, 저장되는 요소는 아래와 같다.

3-1 Local Variable Area

지역변수, 매개변수, 메소드를 호출한 주소 등 Method 수행 중 발생하는 임시데이터를 저장한다.
4바이트 단위로 저장되며, int, float 등 4바이트 기본형은 1개의 셀, double 등 8바이트의 기본형은 2개의 셀을 차지한다.
bool은 일반적으로 1개의 셀을 차지한다.

3-2 Operand Stack

Method의 workspace 이다.
어떤 명령을 어떤 피연산자로 수행할 지 나타낸다.

3-3 Frame Data

Constant Pool Resolution, Method Return, Exception Dispatch 등을 포함한다.
참조된 Exception의 테이블도 가지고 있다.
Exception이 발생하면 JVM은 이 테이블을 참고하여 어떻게 Exception을 처리할 지 정한다.

(4) PC Register

Thread가 시작될 때 생성되며 생성될 때마다 생성되는 공간으로, 스레드마다 하나씩 존재한다.

Thread가 어떤 부분을 어떤 명령으로 실행해야할 지에 대한 기록을 하는 부분으로 Thread가 현재 실행하고 있는 부분의 주소를 갖는다.

💡

OS는 PC(Program Counter) Register를 참고하여 CPU 스케줄링 시 해당 Thread가 다음에 어떤 명령어를 수행해야 하는지 알 수 있다.

(5) Native Method Stack

자바 프로그램이 컴파일되어 생성되는 바이트 코드가 아닌 실제 실행할 수 있는 기계어로 작성된 프로그램을 실행시키는 영역이다.

Java가 아닌 다른 언어로 작성된 코드를 위한 공간이다.
Java Native Interface를 통해 바이트 코드로 전환하여 저장하게 된다.
일반 프로그램처럼 커널이 스택을 잡아 독자적으로 프로그램을 실행시키는 영역이다.

JVM 실행 순서

메모리 할당
- 프로그램이 실행되면 JVM은 OS로부터 이 프로그램을 실행하는데 필요한 메모리를 할당받음
- JVM은 이 메모리를 여러 영역으로 나누어 사용한다
컴파일
- Java Compiler(javac)가 *.java 파일을 컴파일하여 *.class 인 자바 바이트코드로 변환시킨다
클래스 로딩
- 컴파일된 *.class 파일들을 Class Loader를 통해 JVM 메모리 위에 로딩을 한다
바이트코드 해석
- 로딩된 *.class 파일들은 Execution Engine을 통해 기계어로 해석된다
실행 및 관리
- 해석된 바이트코드들은 메모리 영역에 배치되어 실질적인 수행을 하게 된다
- 실행과정 속에서 JVM은 필요에 따라 스레드 동기화나 가비지 컬렉터와 같은 메모리 관리 작업을 수행한다

JVM(JavaVirtualMachine) 파헤치기 (1)

Thu, 22 Sep 2022 22:06:50 +0900

문득 Java라는 언어를 공부하면서 JVM에 대한 궁금증이 생겼다. 단순히 작성한 코드를 실행시켜주는 가상컴퓨터 이다 라고만 알고 있었기에 어떻게 동작을하고 하는 역할은 무엇인지 궁금해졌기에 파헤쳐보고자 한다.

JVM이란?

Java Virtual Machine의 줄임말로 Java를 실행시키기 위한 가상컴퓨터 환경을 말한다.

그럼 JVM이 하는 역할의 무엇일까?

Java는 OS에 종속적이지 않다.

위와 같은 조건을 충족 시키며 작성한 코드가 실행되기 위해선 Java와 OS사이에 무언가가 필요하다.

그게 바로 JVM이다.

코드 실행 과정

작성한 소스코드인(원시코드) *.java 를 CPU가 인식하기 위해선 기계어(010101000101…)로 변환이 이루어져야 한다.

그럼 *.java 가 바로 기계어로 변환되어 실행이 되는건가…?

아니다. *.java 파일은 우선 JVM이 인식을 할 수 있도록 java bytecode(*.class)로 변환이 이루어진다.

이 변환과정은 java 컴파일러에 의해 수행이 되어진다.

✅

java 컴파일러는 JDK를 설치하면 bin폴더에 존재하는 javac.exe 이다.

javac 명령어를 통해 .class 파일을 생성할 수 있고
java 명령어를 통해 이 .class파일을 실행시킬 수 있다.

이제 OS에서 실행이 되는건가..?

⚠️

아니다…. bytecode는 기계어가 아니므로 OS에서 바로 실행되지 않는다…!

이때 JVM이 OS가 이 bytecode를 이해할 수 있도록 해석해주는 역할을 한다.

이러한 JVM의 역할 덕분에 한 번 작성한 Java 코드가 OS에 상관 없이 실행이 될 수 있는 것이다.

전체 프로세스

*.java → *.class 인 bytecode 형태로 변환 → JIT(Just In Time) 컴파일러를 통해 기계어(binary code)로 변환

JIT (Just In Time) 컴파일러란?

JIT 컴파일 또는 **동적번역(dynamic translation)**이라고 불린다.

JIT는 인터프리터 방식의 단점을 보완하기 위해 도입되었다.

프로그램이 실제 실행하는 시점에 기계어로 번역을 한다.

성능 특징

💡

기계어는 캐시에 보관하기 때문에 한 번 컴파일된 코드는 빠르게 수행이 된다.

JIT 컴파일러가 기계어로 컴파일 하는 과정은 바이트 코드를 인터프리팅하는 것보다 훨씬 느리지만 한 번 수행되면 그 이후로는 빠르다
그러나 한 번만 실행되는 코드라면 컴파일을 하지 않고 바로 인터프리팅하는 것이 유리하다

JIT 컴파일러를 사용하는 JVM은 해당 메서드가 얼마나 자주 수행되는지 체크를 하고 일정 정도를 넘을때에만 컴파일을 수행한다.

인터프리터 방식이란?

인터프리터는 실행 시마다 소스 코드를 한 줄씩 기계어로 번역하는 방식이기 떄문에 실행 속도는 정적 컴파일 언어보다 느리다.

대표적인 인터프리터 언어

파이썬 (Python)
자바스크립트 (JavaScript)
데이터베이스 언어인 SQL

장단점

구분	설명
장점	프로그램 수정이 간단하다
단점	실행 속도가 컴파일 언어보다 느리다

💡

컴파일러는 소스코드를 번역해서 실행 파일을 만들기 때문에 프로그램에 수정 사항이 발생하면 소스 코드를 다시 컴파일해야 한다.

프로그램이 작고 간단하면 문제가 없지만 프로그램 덩치가 커지면 컴파일이 시간 단위가 되는 일이 많아진다.

하지만 인터프리터는 소스코드를 수정해서 실행시키면 끝이기에 수정이 빈번히 발생하는 용도의 프로그래밍에서 많이 사용된다.