[Java] JVM (Java Virtual Machine)

로더 메모리 엔진

 

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JVM

JVM(Java Virtual Machine)이란, 자바 프로그램이 실행되는 가상 환경이다. 자바 코드가 작성되면, 이를 바로 기계어로 실행할 수 없기 때문에 JVM이 중간에서 바이트코드(.class 파일)을 해석하고, 운영체제에 맞는 기계어로 변환하여 실행한다.

JVM은 자바 프로그램의 플랫폼 독립성을 가능하게 하는 핵심 요소이다. 즉 JVM만 있으면 어떤 운영체제에서도 실행될 수 있다. "Write Once, Run Anywhere"는 JVM을 통해 실현된다.

 

JVM (Java Virtual Machine) 구성

JVM은 세 가지 요소만 기억/학습하면 된다.

 

1. Class Loader(클래스 로더, 로더): 컴파일된 바이트코드(.class)를 JVM에 로드한다.

2. Runtime Data Area(런타임 데이터 영역, 메모리):메모리에서 실행 중인 데이터를 관리한다.(메모리에 얹는다.)

3. Execution Engine(실행 엔진, 엔진): 바이트코드를 기계어로 변환하여 실행한다.

Class Loader(클래스 로더)

Class Loader는 JVM이 실행할 때 필요한 바이트코드(.class)를 로딩하는 역할을 한다.

이는 동적 로딩(Dynamic Loading) 방식으로 필요한 바이트코드만을 메모리에 적재한다.

 

Class Loader는 3가지 절차를 수행한다.

• Loading: 바이트코드를 메모리에 로드
• Linking: 메모리에 로드된 클래스를 연결
• Initialzation: 클래스의 필드 초기화 및 static 블록 실행

Runtime Data Area(JVM 메모리)

JVM의 메모리 구조는 자바 프로그램이 실행될 때 메모리를 관리하는 공간으로 크게 쓰레드 영역과 비쓰레드 영역으로 나눌 수 있다.

쓰레드(Thread) 영역

쓰레드마다 별도로 할당되는 메모리 공간으로, 함수 실행에 필요한 데이터들이 저장된다.

1. Stack 영역 (Thread Stack Area)
   • 함수 호출 시 파라미터, 지역 변수, 리턴 값이 저장된다.
   • Primitive 타입 변수(원시 타입)는 스택 영역에 직접 값을 저장한다.
   • Reference 타입 변수(참조 타입)는 Heap 영역이나 Method 영역에 있는 객체의 주소(참조값)를 저장한다.
   • 스택은 함수 호출 시 할당되고 함수 실행이 끝나면 해제되는 LIFO(Last In First Out) 구조이다.
2. Method/Static 영역
   • 각 클래스에 대한 메소드 정보와 Static 변수가 저장된다.
   • 프로그램이 시작될 때 클래스 정보가 이곳에 적재되고, 프로그램 종료 시까지 유지된다.

비쓰레드 영역(Thread-Shared 영역)

모든 쓰레드가 공유하는 메모리 영역이다.

1. Heap 영역 (Heap Area)
   • 객체와 배열이 저장된다.
   • 자바 프로그램에서 메모리 부족 문제가 발생할 때 흔히 나타나는 OutOfMemoryError는, Heap 영역에 너무 많은 객체가 생성되고 Garbage Collection이 제대로 수행되지 않을 때 발생한다. 즉, 사용하지 않는 객체가 제거되지 않으면 이 영역이 가득 차 문제가 생긴다.
2. Method 영역
   • 클래스 구조 및 메서드에 대한 정보가 저장된다.
   • 클래스 로더가 클래스 파일을 읽어들여 메모리에 적재할 때, 클래스의 메타데이터가 이곳에 저장된다.

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Garbage Collection (GC)

Garbage Collection(GC는) JVM이 메모리를 자동으로 관리하는 기능이다. 더 이상 사용되지 않는 객체를 Heap 영역에서 제거해 메모리 누수를 방지한다.

• Stop-The-World 이벤트: GC가 실행될 때 모든 스레드가 멈추는 현상이다. Heap이 공유 영역이므로, 모든 스레드가 멈춰야 안정적으로 메모리 정리를 할 수 있다.

Generational GC

Heap 영역은 효율적인 메모리 관리를 위해 두 개의 물리적 공간으로 나뉜다.

1. Young Generation: 객체가 생성되고 곧바로 사라지는 공간
   • Eden 영역과 Survivor 영역으로 나뉘며, Minor GC가 자주 일어난다.
2. Old Generation: Young Generation에서 오래 살아남은 객체가 이곳으로 이동한다. Major GC가 발생한다.
3. Permanent Generation: 클래스 정보와 메타데이터가 저장되는 공간이다.

GC 설정을 통한 튜닝

GC는 JVM에서 불필요한 객체를 자동으로 정리하는 기능이다. 하지만 GC의 빈도나 실행 시간이 프로그램 성능에 영향을 줄 수 있기 때문에, Heap 사이즈와 GC알고리즘을 적절히 설정해 성능을 최적화할 수 있다.

 

Heap 사이즈 설정

• -Xms: JVM이 시작할 때 할당할 최소 Heap 크기를 설정한다.
• -Xmx: JVM이 사용할 수 있는 최대 Heap 크기를 설정한다.

예: `-Xms512m -Xmx2048m` → 최소 512MB, 최대 2048MB로 Heap 영역을 설정

Execution Engine (실행 엔진)

Execution Engine은 메모리에 로드된 바이트코드를 기계어로 변환하여 실행한다. 이 과정은 두가지 방식으로 이루어진다.

1. 인터프리터: 바이트코드를 한 줄씩 해석해 기계어로 변환하고 실행한다.
2. JIT(Just-In-Time) 컴파일러: 자주 사용되는 바이트코드를 미리 기계어로 컴파일하여 성능을 최적화한다.

또한, Execution Engine은 Garbage Collection을 통해 메모리를 관리한다.

Runtime Data Area의 변수 분류

1. 정적(클래스) 변수 (Static Variable): 클래스 내에서 선언된 static 변수는 Method/Static 영역에 저장된다.
2. 인스턴스 변수 (Instance Variable): 인스턴스 생성 시 Heap 영역에 저장된다.
3. 지역 변수 (Local Variable): 메소드 호출 시 생성되며, Stack 영역에 저장된다.

JVM의 구성 그림 한장으로 이해하기

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ℹ️참고

[ASAC 6기 강의자료]

https://chamalwr.medium.com/inside-the-jvm-part-05-execution-engine-15857827ac82

Inside the JVM — Part 05 (Execution Engine)

https://goodgid.github.io/Java-Class-Loader/#google_vignette

클래스 로더(Class Loader)