JVM 동작과정

 

자바의 동작과정 대략적으로 알아보기 

1. 개발자가 자바 소스 코드 작성한다. 

2. Java Compiler가 자바 Source File(*.java)을 컴파일하여 Byte File(*.class)로 생성한다.

3. 컴파일된 Byte File(*.class)을 JVM의 Class Loader에게 전달한다.

4. Class Loader는 동적 로딩을 통해 필요한 클래스들을 로딩 및 링크하여 Run-time Data Area에 업로드한다.

5. Execution Engine에서 JVM 메모리에 올라온 Byte 코드를 명령어 단위로 하나씩 해석하여 Binary Code를 생성한다. 

6. Binary Code는 Run-time Data Area에 배치되어 실질적 수행이 이루어진다. 

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Class Loader

JVM이 동작하다가 바이트 파일(.class)을 참조하는 순간 클래스로더는 동적으로 읽어서 메모리에 로드되면서 JVM에 링크된다. 

클래스 로더는 크게 Loading > Linking > Initailization 세 가지 동작과정으로 나타낸다. 

Loading

모든 클래스들이 하나의 클래스 로더에 의해 로딩되지 않는다. 

클래스 종류와 경로에 따라 어떤 클래스 로더에 의해 로드될 지 결정된다. 

클래스로더는 계층 구조로 이뤄져 있어 순서대로 진행된다. (why? 모듈화 기능, 클래스 충돌 피함, 효율적 사용 …)

 

1. BootStrapClassLoader :  jre/lib/rt.jar 파일을 로드한다. 

2. ExtentionClassLoader : jre/lib/ext 파일에 포함된 클래스 파일을 로드한다. 

     java.ext.dirs 환경변수로 지정된 폴더에 있는 클래스 파일 로딩한다. 

3. ApplicationClassLoader : 애플리케이션의 클래스 패스에서 클래스를 읽어 로드한다. 

    개발자가 애플리케이션 구동을 위해 직접 작성한 대부분의 클래스는 애플리케이션 클래스 로더에 의해 로딩된다.

 

Linking

Linkging은 코드 내부의 레퍼런스들을 연결한다. 

 

1. Verify : 생성된 자바 바이트 코드가 적절한지 검증한다. 

2. Prepare : 모든 static 변수의 메모리가 할당되어지고 default 값들이 할당된다.

3. Resolve : 모든 Symblic Memory Reference가 Run-time Data Area의 Method Area에 있는 Original Reference로 대체된다. 

Method Area의 Content Pool은 Symblic Reference를 Direct Reference로 변경해주는 작업을 한다. 

* Symblic Reference : 이름에 대한 참조 / Direct Reference : 실제 메모리 주소에 대한 참조 

 

Initializtion

메모리 영역의 Static 변수들을 초기화하고 Original 값들로 할당된다. 이 후 Static Bloak이 실행된다.

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Execution Engine

메모리에 적재된 클래스들을 기계어로 변경하여 명령어 단위로 실행한다.

기본적으로 JVM은 Interpreter 방식을 사용한다. 그러나 일정 기준(?)을 넘어서면 JIT Compier방식으로 실행한다.

 

Interpreter

자바가 플랫폼에 독립적이고 이식성이 높은 것은 인터프리터가 있기 때문이다. 

인터프리터는 런타임 중 바이트 코드를 한 line씩 읽고 실행시킨다. 

그렇기에 속도가 느리다는 단점이 있다. 

JIT(Just-In-Time) Compier

Interpreter 속도 문제를 해결하기 위해 디자인된 기능이다.

1. 바이트 코드 전체를 컴파일하여 Binary 코드로 변경한다. 

2. 이후 해당 메서드를 더 이상 Interpreting하지 않고, Binary 코드로 직접 실행한다. 

 

GC(Garbage Collector)

참조되어 있지 않은 Object들을 모으고 제거하는 역할을 한다.

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Run-time Data Area

JVM 메모리에 올라와있는 자바 프로그램이다. 

Heap Area

Heap Area에는 코드 실행을 위한 Java로 구성된 객체 및 JRE 클래스들이 탑재된다.

문자열에 대한 정보를 가진 String Pool, 실제 데이터를 가지는 인스턴스, 배열 등이 저장된다.

JVM당 하나만 생성되어 해당 메모리가공유된다. 

Heap 영역이 가지는 데이터는 모든 Java Stack 영역에 참조되어 Thread간 공유가 가능하다.

Heap 영역이 가득찰 경우, OutofMemoryError를 발생시킨다.

Heap에서는 참조되지 않은 인스턴스와 배열에 대한 정보를 얻을 수 있어서 GC의 주 대상이된다.

 

Method Area

Method Area에는 static 변수를 포함한 클래스 수준의 모든 데이터가 저장된다.

JVM마다 오직 하나의 Method Area가 있고, 리소스가 공유된다.

런타임 중 클래스 사용 시 Class Loader가 해당 클래스의 .class 파일을 읽어 분석한다.

이 때 유효하다면 클래스의 인스턴스 변수, 메소드 코드들을 Method Area 에 저장한다.

클래스 변수도 이 영역에 함께 생성된다.

객체 생성 후 메서드 실행 시 해당 클래스 메타데이터를 Method Area에 저장하게 된다.

 

JVM Stacks

JVM Stack은 Thread의 수행 정보를 기억하는 Frame을 저장하는 메모리 영역이다.

각각의 Thread를 위해 분리된 Runtime Stack이 생성된다.

JVM은 JVM Stack에 StackFrame을 push, pop하는 작업만 수행한다.

1. Method를 수행할 때마다 JVM은 Stack Frame을 하나씩 생성하여 Stack에 Push 한다.
2. 이 때 새로 들어간 StackFrame이 Current Frame이 된다.
3. Method가 수행종료 시 pop되어 이전 StackFrame이 Current Frame이 된다. 

Stack Frame : Thread가 수행하고 있는 응용 프로그램을 메서드 단위로 기록하는 곳

 

PC(Program Counter) Regiter

Java에서 Thread는 각자의 메소드를 실행한다. 

이 때 Thread별로 동시에 실행하는 환경이 보장되어야 한다.

그렇기 위해서는 JVM에서 명령어 주소값을 저장할 공간이 필요하다.

이 저장 공간을 PC Regiter 영역이 관리하여 추적되도록 한다.

 

Thread 가 시작할 때마다 PC Register가 하나씩 생성된다.

PC Register에는 Native Pointer와 Return Address를 가진다.

Thread에서 실행했던 메소드가 Native 하다면 Undefined가 기록되고,

그렇지 않다면 JVM에서 사용된 명령의 주소값을 저장하게 된다. 

 

Native Method Stacks

Native Method Stack은 Java로 작성되지 않은 메소드를 다루는 영역이다. 

Java는 Java외의 언어로 작성된 프로그램, API 툴킷등과의 통합을 쉽게 하기 위해 JNL(Java Native Interface) 라는 표준규악을 제공한다. 즉, Native Code로 되어있는 함수의 호출을 Java 프로그램 상에서 수행하거나 리턴값을 받아 올 수 있다.

Java Stack 상에서 Native Method를 만나 수행한다면 아래 과정대로 진행된다. 

1. Native Method Stack에 Native Function을 만들어 호출한다.
2. Native Function이 끝나면, JVM Stack으로 다시 돌아온다. 이 때, 호출한 Stack Frame이 아닌 새로운 Stack Frame을 하나 더 생성하여 작업을 수행한다.

최신 버전 JVM은 JVM Stack과 Native Method Stack 두 영역을 나누어 쓰지 않고 통합하여 쓴다. 다만 Java Method인지 Native Method인지에 따라 StackFunction인지 Native Stack Frame인지를 구분한다.

 

 

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※ 참조블로그 

• https://kingofbackend.tistory.com/123
• https://velog.io/@jihoson94/JVM-Java-virtual-Machine
• https://hbase.tistory.com/174
• https://velog.io/@hygoogi/JVM-%EA%B5%AC%EC%A1%B0%EC%99%80-%EC%9E%91%EB%8F%99-%EC%9B%90%EB%A6%AC
• https://tecoble.techcourse.co.kr/post/2021-08-09-jvm-memory/