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JVM의 목표

Java 코드를 작성하고 compile하면 bytecode (.class) 가 생성된다. 이 bytecode를 실행해주는 역할이 Jvm의 역할이다. byte code는 최종적으로 machine code (native code)로 변경되서 실행되는데 이는 CPU에 종속적이다. Jvm은 OS별로 구현체가 여러개 있어, Java source 코드는 운영체제와는 독립적으로 작성될 수 있도록 해준다.

Jvm은 bytecode (.class)를 실행해주는데, 사실 Java 이외에도 .class file이 생성되는 타 프로그래밍 언어들을 실행할 수 있다 예를 들면 Kotlin ,Scala 가 있다.

JRE, JDK , JVM

JVM은 우리가 흔히 사용하는 JRE, JDK에 포함되어있다.

그렇다면 Jre와 Jdk간의 차이점은 무엇일까?

Jre (Java Runtime Environment) : java를 실행할 수 있게 해주는 JVM과 핵심 라이브러리만 가지고 있다.(javac 가지고 있지 않음 )
Jdk ( Java ) : JRE 에 개발에 필요한 여러 tool들을 함께 제공하고,Java11부터는 Jdk만을 제공한다.

Jvm 구조

Jvm은 다음과 같은 구성요소로 이루어진다.

클래스 로더 시스템
메모리
실행 엔진
네이티브 메소드 인터페이스 (JNI)
네이티브 메소드 라이브러리

Class loader system

compile된 class file을 Jvm 이 OS로부터 할당받은 메모리에 배치하는 역할을 한다.

classs loader system은 loading,linking ,initialization 3가지 task를 수행하는데 다음과 같다.

loading : class file을 읽어오는 과정
linking : reference 연결
intialization : static 값 초기화

Memory 구조

Jvm이 할당받은 메모리 공간을 크게 3가지로 나누고 내부적으로 사용하는 PC register , Native method stack이 존재한다.

PC register는 현재 thread가 실행중인 명령어의 위치를 가르키는 pointer가 저장된다. 당연히 thread 별로 독립적으로 할당되고, native method stack도 thread별로 할당된다.
native method란 java에 native keyword가 들어간 c,c++로 구현된 method를 말한다.


    @HotSpotIntrinsicCandidate
    public static native Thread currentThread();

Method 영역 - Thread 간 공유
Stack 영역 - Threaad별로 독립적으로 할당됨
Heap 영역 - Thread간 공유

web과 같이 client reqeust가 thread에 mapping되서 실행되는 상황에서는 thread간 race condition이 생길 수 있는데 이는 method,heap영역에 있는 thread간 공유자원을 동시에 접근해서 생기는 문제들이다.

Memory - Method area

method 영역에는 method의 bytecode 와 class 변수 (static 변수) 가 저장된다.

java main method 호출로부터 프로그램이 시작되는데, 사실상 main method 의 byte code는 program의 흐름을 구성하는 byte code이기때문에 컴파일된 코드의 거의 대부분이 method 영역에 올라간다.

method 영역은 bytecode를 저장함으로 class 정보 (클래스 로딩 시점) 를 처음 메모리에 올릴떄 저장되는 메모리 공간이다.

따라서 method 영역에는 클래스 수준의 정보를 저장된다. (클래스 이름, 부모클래스명 , method , 변수)

method 영역은 jvm permanent generation영역의 일부이다. permananat generation의또 다른 영역은 runtime constant pool 로서, string literal 등이 보관된다.

Memory - Heap

Heap 영역에는 객체가 저장된다.

Heap 영역은 객체 생성 시점에 따라 Young Generation , Old Generation 에 나누어 진다. 새로 생성된 객체는 young generation에 보관되었다가 young generation 영역이 모두 차면 GC가 수행되는데 이를 minor Gc라고 한다.

Young Generation은 3개의 요소로 나뉘어진다. 1. Eden Memory 2. two Survivor Memory spaces.

여러번의 minor GC 에도 참조가 계속 남아있어서 살아있는 객체는 old genration영역으로 옮겨진다. 마찬가지로 old generation 영역도 모두 차면 GC가 수행되는데 이를 major GC라고 한다.

(ref- https://www.journaldev.com/2856/java-jvm-memory-model-memory-management-in-java )

Memory - stack

thread 마다 할당되는 메모리 영역이다. 지역변수, 매개변수가 저장되는 공간이다.

지역변수,매개변수는 해당 method 내에서만 유효한 변수들인데, 조금 더 자세히 정리하면 해당 method를 빠져나가면 바로 소멸되는 영역이다.

공부한 내용을 바탕으로 메모리 구조를 정리하면 위와 같다.사실 heap 내 young generation내 eden 영역도 있고, gc에 의해 관리되는 메카니즘도 또 있는데 기회가 되면 깊숙한 메카니즘까지 공부해보고 싶다.

Native method - JNI, library

Native method library: c,c++로 작성된 library
JNI(Java native Interface) : java 실행엔진의 요소로서 c,c++,assembly code로 작성된 함수를 사용할 수 있게 해준다.

JVM 실행엔진

JVM 실행엔진은 interpreter , JIT Compiler , GC(garabage collector) 로 구성된다.

interpreter : bytecode를 한줄씩 machine code로 compile
Just In time(JIT) compiler : bytecode내 반복적인 code를 한꺼번에 machine code로 compile
GC : 참조되지 않은 객체를 메모리에서 제거한다.

Java Virutal Machine - Memory,실행 엔진 내부 구성요소