[Java] 자바 JVM 내부 구조와 메모리 구조에 대하여

저번 포스팅에서는 JVM에 대해서 간략하게 알아보는 시간을 가졌다면 이번 포스팅에서는 JVM의 내부 구조에 대해 좀 더 자세하게 알아보도록 하겠습니다. 혹시 JVM의 정의와 왜 필요한지 궁금하시다면 아래의 글을 참고하여주세요.

 

[Java] 자바 가상 머신 JVM(Java Virtual Machine) 총정리

[Java] 자바 가상머신 JVM(Java Virtual Machine) 총정리

 

 자바 가상 머신(JVM)의 동작 방식 

1. 자바로 개발된 프로그램을 실행하면 JVM은 OS로부터 메모리를 할당합니다.

2. 자바 컴파일러(javac)가 자바 소스코드(.java)를 자바 바이트코드(.class)로 컴파일합니다.

3. Class Loader를 통해 JVM Runtime Data Area로 로딩합니다.

4. Runtime Data Area에 로딩 된 .class들은 Execution Engine을 통해 해석합니다.

5. 해석된 바이트 코드는 Runtime Data Area의 각 영역에 배치되어 수행하며 이 과정에서 Execution Engine에 의해 GC의 작동과 스레드 동기화가 이루어집니다.

 

 

 JVM의 구조 

클래스 로더(Class Loader)

자바는 동적으로 클래스를 읽어오므로, 프로그램이 실행 중인 런타임에서야 모든 코드가 자바 가상 머신과 연결됩니다. 이렇게 동적으로 클래스를 로딩해주는 역할을 하는 것이 바로 클래스 로더(class loader)입니다. 자바에서 소스를 작성하면 .java파일이 생성되고 .java소스를 컴파일러가 컴파일하면 .class파일이 생성되는데 클래스 로더는 .class 파일을 묶어서 JVM이 운영체제로부터 할당받은 메모리 영역인 Runtime Data Area로 적재합니다.

 

실행 엔진(Execution Engine)

앞서 말씀드렸듯 클래스 로더에 의해 JVM으로 로드된 .class 파일(바이트코드)들은 Runtime Data Areas의 Method Area에 배치되는데, 배치된 이후에 JVM은 Method Area의 바이트 코드를 실행 엔진(Execution Engine)에 제공하여, 정의된 내용대로 바이트 코드를 실행시킵니다. 이때, 로드된 바이트코드를 실행하는 런타임 모듈이 실행 엔진(Execution Engine)입니다. 실행 엔진은 바이트코드를 명령어 단위로 읽어서 실행합니다.

 

가비지 컬렉터(Garbage Collector)

자바 가상 머신은 가비지 컬렉터(garbage collector)를 이용하여 더는 사용하지 않는 메모리를 자동으로 회수해 줍니다. 따라서 개발자가 따로 메모리를 관리하지 않아도 되므로, 더욱 손쉽게 프로그래밍을 할 수 있도록 도와줍니다. Heap 메모리 영역에 생성(적재)된 객체들 중에 참조되지 않은 객체들을 탐색 후 제거하는 역할을 하며 해당 역할을 하는 시간은 정확히 언제인지를 알 수 없습니다. GC역할을 수행하는 스레드를 제외한 나머지 모든 스레드들은 일시정지상태가 됩니다.

 

※ 가비지 컬렉터에 대해 더 자세히 알고 싶다면 아래 글을 참고해주세요.

[Java] 가비지 컬렉션(GC, Garbage Collection) 총정리

[Java] 가비지 컬렉션(GC, Garbage Collection) 총정리

 

 런타임 데이터 영역 (Runtime Data Area) 

런타임 데이터 영역은 JVM의 메모리 영역으로 자바 애플리케이션을 실행할 때 사용되는 데이터들을 적재하는 영역입니다.

 

모든 스레드가 공유해서 사용 (GC의 대상)

• 힙 영역 (Heap Area)
• 메서드 영역(Method Area)

 

스레드(Thread) 마다 하나씩 생성

• 스택 영역(Stack Area)
• PC 레지스터 (PC Register)
• 네이티브 메서드 스택(Native Method Stack)

 

메서드 영역 (Method Area)

클래스 멤버 변수의 이름, 데이터 타입, 접근 제어자 정보와 같은 각종 필드 정보들과 메서드 정보, 데이터 Type 정보, Constant Pool, static변수, final class 등이 생성되는 영역입니다.

 

힙 영역 (Heap Area)

1. new 키워드로 생성된 객체와 배열이 생성되는 영역입니다. 

2. 주기적으로 GC가 제거하는 영역입니다.

 

Heap Area는 효율적인 GC를 위해 위와 같이 크게 3가지의 영역으로 나뉘게 됩니다.

 

Young Generation 영역은 자바 객체가 생성되자마자 저장되고, 생긴지 얼마 안되는 객체가 저장되는 공간입니다. Heap 영역에 객체가 생성되면 최초로 Eden 영역에 할당됩니다. 그리고 이 영역에 데이터가 어느정도 쌓이게 되면 참조정도에 따라 Servivor의 빈 공간으로 이동되거나 회수됩니다. 

 

Young Generation(Eden+Servivor) 영역이 차게 되면 또 참조정도에 따라 Old영역으로 이동 되게 되거나 회수됩니다. 이렇게 Young Generation과 Tenured Generation 에서의 GC를 Minor GC 라고 합니다. Old영역에 할당된 메모리가 허용치를 넘게 되면, Old 영역에 있는 모든 객체들을 검사하여 참조되지 않는 객체들을 한꺼번에 삭제하는 GC가 실행됩니다. 시간이 오래 걸리는 작업이고 이 때 GC를 실행하는 쓰레드를 제외한 모든 스레드는 작업을 멈추게 됩니다. 이를 'Stop-the-World' 라 합니다. 그리고 이렇게 'Stop-the-World'가 발생하고 Old영역의 메모리를 회수하는 GC를 Major GC라고 합니다. 

 

스택 영역 (Stack Area)

지역변수, 파라미터, 리턴 값, 연산에 사용되는 임시 값 등이 생성되는 영역입니다.

 

PC 레지스터 (PC Register)

Thread가 생성될 때마다 생성되는 영역으로 프로그램 카운터, 즉 현재 스레드가 실행되는 부분의 주소와 명령을 저장하고 있는 영역입니다.

 

네이티브 메서드 스택 (Native Method Stack)

1. 자바 이외의 언어(C, C++, 어셈블리 등)로 작성된 네이티브 코드를 실행할 때 사용되는 메모리 영역으로 일반적인 C 스택을 사용합니다.

2. 보통 C/C++ 등의 코드를 수행하기 위한 스택을 말하며 (JNI) 자바 컴파일러에 의해 변환된 자바 바이트 코드를 읽고 해석하는 역할을 하는 것이 자바 인터프리터(interpreter)입니다.