JVM (Java Virtual Machine)

JVM은 Java Byte Code를 실행할 수 있는 주체로, OS에 맞게 해석해주는 역할을 한다

JVM 이 중요한 이유?

메모리를 효율적으로 사용하여 성능을 높이기 위해서는 JVM의 메모리 구조를 반드시 알아야한다.

JVM의 주요 기능

1. Byte Code는 JVM 위에서 OS 종류 상관없이 실행
2. 프로그램 메모리를 관리하고 최적화 (Garbage Collection)

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Java 프로그램의 실행 과정

1. 프로그램이 실행되면 JVM은 OS로 부터 프로그램이 필요로 하는 메모리를 할당 받는다
   JVM은 이 메모리를 용도에 따라 여러 영역으로 나누어 관리
   
   
2. java 컴파일러(javac)가 java 소스코드(.java)를 읽어들여 java 바이트 코드(.class)로 변환시킨다.
   
   
3. Class loader를 통해 바이트 코드들이 JVM으로 로딩된다.
   이때 JVM은 OS가 바이트코드를 이해할 수 있도록 해석해줌
   
   
4. 로딩된 바이트 코드들이 Execution engine을 통해 해석된다.
   
   
5. 해석된 바이트코드는 Runtime Data Areas에 배치되어 실질적인 수행이 이루어진다.
   이때 JVM은 필요에 따라 스레드 동기화, GC 등의 관리작업을 수행

Java 프로그램의 실행 순서

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JVM 구조

Class Loader

Runtime 시점에 java 바이트코드(.class)를 로딩하게 해주며, 클래스 인스턴스를 생성하면 클래스 로더를 통해 메모리에 로드

 

Runtime Data Areas (★ Java 메모리 영역)

JVM이 프로그램을 수행하기 위해 OS로 부터 별도로 할당 받은 메모리 공간으로, 5가지 영역으로 나눠짐 자세한 설명은 하단의 Java Memory Management 섹션 참고

 

Execution Engine

Runtime Data Areas에 배치된 바이트코드를 실행하는 런타임 모듈로, 바이트 코드를 명령어 단위로 읽어 실행

JIT (Just - In - Time) complier
인터프리터 방식으로 실행하다가 적절한 시점에 바이트코드 전체를 컴파일하여 네이티브 코드로 변경하고, 이후에는 인터프리팅하지 않고 네이티브 코드로 직접 실행하는 방식

처음 나왔을 때는 Interpreter 방식 이였기 때문에 속도가 느렸지만, 일정 기준이 넘어가면 JIT complier 방식 으로 실행하며 속도가 보완되었다.

 

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Java Memory Management

JVM Stack

• 프로그램 실행과정에서 임시로 할당되었다가 메소드를 빠져나가면 바로 소멸되는 특성을 지닌 데이터를 저장하는 영역
• {}나 메소드가 호출될 때 마다 각각의 스택 프레임(그 메서드만을 위한 공간)이 생성
• 호출된 메소드의 매개변수, 지역변수, 리턴 값 및 연산 시 일어나는 값들을 임시로 저장

Native Method Stack

• 기계어로 작성된 프로그램을 실행시키는 영역
• JAVA가 아닌 다른 언어로 작성된 코드를 위한 공간으로, JAVA Native Interface를 통해 바이트코드로 전환하여 저장
• 이부분을 통해 C code를 실행시켜 Kernel에 접근 가능

PC register

• 현재 수행중인 JVM명령의 주소를 가짐 (CPU의 PC와 같음)
• Thread가 시작될 때 생성되며, 생성될 때 마다 생성되는 공간으로 스레드마다 하나씩 존재한다.

Method 영역 (= Class area, Static area)

• 클래스 정보를 처음 메모리 공간에 올릴 때, 초기화되는 대상을 저장하기 위한 메모리 공간
• 올라가게 되는 메소드의 Byte Code는 프로그램의 흐름을 구성하는 Byte Code
• Runtime constant Pool이라는 관리 영역도 함께 존재하며, 상수자료형을 저장하여 참조하고 중복을 막는 역할을 수행한다.

  올라가는 정보의 종류

  • Field 정보
    멤버변수의 이름, 데이터 타입, 접근 제어자에 대한 정보
    
    
  • Method 정보
    메소드의 이름, 리턴타입, 매개변수, 접근제어자에 대한 정보
    
    
  • Type 정보
    class인지 interface인지의 여부 저장, Type 속성, 전체 이름, super class의 전체 이름
    
    

★Heap 영역

• 프로그램 상에서 데이터를 저장하기 위해 런타임시 동적으로 할당하여 사용하는 가상 메모리 영역
• Method area에 로드된 클래스만 생성이 가능하고, GC를 통해 메모리를 반환
• new연산자로 생성된 객체 또는 인스턴스와 배열 저장
• JVM이 관리

Java7과 Java8 이상 버전에서의 Heap영역 구조

[~JAVA7 기준] Heap 영역: New/Young, Old, Permanent Generation

[JAVA8~ 기준] Heap 영역: New/Young, Old Generation

부가 설명

• JDK 8부터 Permanent Heap 영역이 제거되고, 대신 Metaspace가 Native Memory에 추가됨
• Perm은 JVM에 의해 크기가 강제되던 영역
• Metaspace는 Native memory 영역으로 OS가 자동으로 크기를 조절하며, 옵션으로 Metaspace의 크기를 줄일 수도 있다.
• 그 결과 기존과 비교해 큰 메모리 영역을 사용할 수 있게 되었다.
• JEP 122에서는 JRockit과 Hotspot을 통일시키기 위해 PermGen 영역을 삭제한다고 한다.

New/Young Generation

Eden: 객체들이 최초로 생성되는 공간

Survivor 1/2: Eden에서 참조되는 객체들이 저장되는 공간

 

Old(Tenured) Generation

Young Generation에서 일정시간 이상 참조되고 있고 살아있는 객체들이 저장되는 공간

 

[~JAVA7] Permanent Generation

생성된 객체들의 정보들이 저장되는 공간으로, 메타데이터 저장 영역이라고도 한다.

(클래스의 Meta정보/메소드의 Meta정보, Static 변수와 상수 정보)

 

+)

Method Area: 클래스 데이터를 위한 공간

Heap Area: 객체를 위한 공간

 

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참고: https://asfirstalways.tistory.com/158

https://medium.com/@lazysoul/jvm-%EC%9D%B4%EB%9E%80-c142b01571f2

https://www.geeksforgeeks.org/java-memory-management/

https://johngrib.github.io/wiki/java8-why-permgen-removed/