자바의 구동원리와 JVM

🕹 자바 프로그램 구동 원리

소스코드를 작성한다. (.java 확장자의 소스 파일) ➡️ Test.java
컴파일러 (Javac.exe) 가 자바 소스 코드(.java)를 바이트 코드(.class)로 변환한다 (.class 확장자의 클래스 파일) ➡️ Test.class
런처(java.exe) 로 자바 가상 머신을 구동시킨다.
자바 가상 머신 (JVM) 이 바이트 코드를 해석하여 자바 프로그램이 실행된다.

❓ .java 파일이란 ?

👉 java 규칙에 맞게 작성한 모든 소스코드 파일
👉 사람이 읽을 수 있는 text 로 구성

❓ .class 파일이란 ?

👉 컴파일러에 의해 생성된 bytecode 로 구성된 파일
👉 JVM 을 위한 코드
👉 자바를 실행할 수 있는 모든 장치에서 실행 가능

💭 예제

src > main > java > test1 에 Main.java 와 TestClass.java 가 있을 때 컴파일러를 실행한 경우

build > classes > java > main 에 Main.class , TestClass.class 가 만들어 진 걸 확인 할 수 있다.

🤖 자바 가상머신 (JVM) 이란?

🧑‍🍳 JVM 이 만들어진 이유

기존의 언어 (C, C++) 인 경우 컴파일 플랫폼과 타겟 플랫폼이 다른 경우 프로그램이 동작하지 않음
EX) 리눅스에서 컴파일된 프로그램은 플랫폼이 윈도우로 바뀌게 되면 정상적으로 동작하지 않음
그렇기 때문에 크로스 컴파일 (타겟 플랫폼에 맞춰 컴파일) 로 해당 문제를 해결했지만 자바에서는 JVM 을 통해 플랫폼이 달라도 실행되도록

✏️ JVM 을 알아야 하는 이유

동일한 기능의 프로그램이라고 하더라도 메모리 관리가 되지 않는 다면 속도 저하 현상이나 튕김 현상 등이 일어날 수 밖에 없고, 메모리 관리가 효율적으로 잘 된다면 성능이 좋아지기 때문
한정된 메모리를 효율적으로 사용하여 최고의 성능을 내기 위함

🗂 JVM 구성

⛓ 클래스 로더 (Class Loader)

로딩 (loading)

.class 파일을 읽어 내용에 따라 적절한 바이너리 데이터를 생성하고, 메소드 영역에 저장

Bootstrap

원시 클래스 로더
최상위 클래스로더로 Java 가 아니라 네이티브 코드로 구현되어 있음
JVM 이 실행될 때 같이 메모리에 올라감
Java 클래스는 Java.lang.ClassLoader 인스턴스에 의해 로드됨. 여기서 ClassLoader 를 로드하는 것이 Bootstrap 클래스 로더
JAVA_HOME/jre/lib 디렉토리에 존재하는 핵심 java API 들을 로드
모든 클래스 로더의 부모

Extension

부트 스트랩 클래스 로더의 자식
JAVA_HOME/jre/lib/ext 혹은 java.ext.dirs 시스템 속성으로 명시된 다른 특정 디렉토리인 확장 디렉토리 안에 존재하는 클래스들을 로드

Application

확장 클래스 로더의 자식
모든 어플리케이션 레벨의 클래스 로드
우리가 작성한 클래스는 이 Application 클래스 로더에 의해 로드

링크 (linking)

로딩 단계에서 생성된 바이너리 데이터를 JVM 런타임 데이터로 합침

Verify

클래스(.class) 파일의 정확성을 보장하기 위한 단계
읽은 클래스의 바이너리 데이터가 유효한 것인지 확인

Prepare

클래스의 static 변수와 기본값에 필요한 메모리 공간을 준비
클래스 및 인터페이스의 static 필드를 생성하고 기본값으로 초기화한다.

Resolve

심볼릭 메모리 레퍼런스를 메모리 영역에 존재하는 실제 레퍼런스로 교체
EX) Test test = new Test() 에서 new Test() 부분은 실제 레퍼런스를 가리키지 않음. 그렇기 때문에 실제 힙에 들어있는 인스턴스를 가리키는 작업을 Resolve 시점에 해줌

초기화 (intialization)

링크 단계의 preapre 에서 확보한 메모리 영역에 클래스의 static 값들을 할당

🏃‍♂️ Runtime Data Area

Method Area

클래스 정보를 처음 메모리 공간에 올릴 때 초기화되는 대상을 저장하기 위한 메모리 공간

클래스 정보, 변수 정보, static 으로 선언된 변수가 저장
모든 스레드가 공유하는 메모리 영역
JVM 이 시작될 때 생성

Runtime Constant Pool

말그대로 상수 정보가 저장되는 공간

클래스와 인터페이스 상수, 메소드와 필드에 대한 모든 레퍼런스를 저장
JVM은 런타임 상수 풀을 통해 해당 메소드나 필드의 실제 메모리 상 주소를 찾아 참조

Heap Area

객체를 저장하는 가상 메모리 공간

런타임 시 동적으로 할당하여 사용하는 공간
동적으로 New 연산자를 통해 생성된 객체 또는 배열을 저장하는 영역
참조하는 변수나 필드가 없다면 의미 없는 객체가 되어 가비지 컬렉터 (GC) 의 대상이 되어 회수됨

➡️ Eden, Survivor1, Survivor2, Old, Permanent 로 이루어져 있음

Java Stack Area

임시로 할당되었다가 메소드를 빠져나가면 바로 소멸되는 특성의 데이터를 저장하기 위한 영역

각 스레드별로 하나씩 존재하며, 스레드가 시작될 때 할당
메소드를 호출할 때마다 프레임(Frame) 을 추가(push) 하고, 메소드가 종료되면 해당 프레임을 제거(pop) 하는 동작을 수행
선입후출(FILO) 방식
메소드 정보, 지역변수, 매개변수, 연산 중 발생하는 임시 데이터 저장
메소드 호출 시 생성되는 스레드 수행정보를 기록하는 Frame을 저장
기본(원시)타입 변수는 스택 영역에 직접 값을 가진다. 참조타임 변수는 힙 영역이나 메소드 영역의 객체 주소를 가진다.

PC Register

스레드가 어떤 부분을 어떤 명령어로 실행해야할지 기록하는 영역

스레드가 생성될 떄마다 그 스레드가 어떠한 명령을 실행하게 될지에 대한 부분을 기록하는 메모리 공간
현재 수행중인 JVM 의 명령어 주소를 저장
실행되고 있는 스레드에서 몇번째 줄을 실행해야하는지 나타내는 역할

Native Method Stack

바이트 코드가 아닌 실제 실행할 수 있는 기계어로 작성된 프로그램을 실행시키는 영역

자바외 언어로 작성된 네이티브 코드를 위한 메모리 영역
JNI 를 통해 호출하는 코드를 수행하기 위한 공간

🔩 실행 엔진 (Execution)

클래스를 실행시키는 역할
바이트 코드를 실제로 JVM 내부에서 기계가 실행할 수 있는 형태로 변경

인터프리터

실행 엔진은 자바 바이트 코드를 명령어 단위로 하나하나씩 읽어서 해석하고 실행
한줄 씩 수행하기 떄문에 느리다는 단점이 있음

JIT (Just-In Time)

인터프리터 방식으로 실행하다가 적절할 시점에 바이트코드 전체를 컴파일하여 네이티브 코드로 변경하고 이후에는 네이티브 코드로 직접 실행
네이티브 코드는 캐시에 보관하기 때문에 한 번 컴파일된 코드는 계속 빠르게 수행
하지만 컴파일하는 과정이 바이트 코드를 인터프리팅하는 것보다 훨씬 오래걸리기 때문에 한번만 실행되는 코드면 인터프리팅하는게 유리

가비지 콜렉터

🙇🏻‍♀️ 레퍼런스

JAVA의 기본 - 1. 자바 파일(.java)와 .class 파일과의 관계
자바의 구동 원리와 JVM(Java Virtual Machine) by 개발새발!님
JVM 어떻게 동작하는가? :: 마이구미
클래스 로더(Class Loader) by goodGid
JVM - 3 (Execution Engine, 실행 엔진)
메모리 영역(Runtime Data Area, JVM Memory)
JAVA] JVM이란? 개념 및 구조 (JDK, JRE, JIT, 가비지 콜렉터…)
마로의 Java(자바) 정리 - 8. 자바 메모리 구조