JAVA

3. JVM 메모리 구조

ggomjiu 2025. 3. 14. 15:44

JVM

: 자바 가상 머신, 자바 프로그램을 실행하고, 다른 언어로 작성된 것도 자바 byte code로 컴파일하여 실행할 수 있도록 만들어주는 소프트웨어

- 자바 코드를 컴파일하여 .class 바이트 코드로 만들면 이 코드가 자바 가상 머신 환경에서 실행됨

 

JVM 작동 방식

  1. 자바로 개발된 프로그램을 실행하면 JVM은 OS로부터 메모리를 할당
  2. 자바 컴파일러(javac)가 자바 소스 코드(.java)를 자바 바이트 코드(.class)로 컴파일
  3. Class Loader를 통해 JVM Runtime Data rea로 로딩
  4. Runtime Data Area로 로딩된 .class들은 Execution Engine을 통해 해석
  5. 해셕된 바이트 코드는 Runtime Data Area의 각 영역에 배치되어 수행하며 이 과정에서 Excution Engine에 의해 GC의 작동과 스레드동기화가 이루어짐

클래스 로더 시스템

- 기본적으로 자바 프로그램들은 클래스들로 이루어져 있음 -> IDE에서 프로그래머가 작성한 코드를 컴파일하면, JVM이 읽을 수 있는 .class 파일이 됨

클래스 로더는 이렇게 생성된 클래스 파일들을 엮어서 JVM이 OS로부터 할당받은 메모리 영역인 Runtime Data Area로 적재하는 역할을 함

- 클래스 파일들은 Runtime이 될 때, 적재, 연결, 초기화의 과정을 거치게 됨

 

1. 적재(Loading)

- 클래스 로더의 주요한 일은 컴파일된 클래스를 메모리에 적재

- Loading의 작업은 보통 static main() 메서드로부터 시작됨

- 이미 로딩된 클래스는 unload될 수 없음

 

2. 연결(Linking)

- 로드된 클래스나 인터페이스를 검증하고 준비하는 과정

- 3단계로 실행됨

- 검증(Verification) -> 준비(Preparation) -> 실행(Resolution)

  • 검증 : 컴파일러가 변환된 바이트 코드가 바이너리 코드로 잘 변환을 했는지 확인하는 과정
  • 준비 : JVM에 의한 데이터 구조나 static 저장 공간을 위해서 메모리를 할당하는 과정
  • 실행 : Symbolic reference가 direct reference로 대체됨 -> 실제 객체의 주소를 참조하게 됨

3. 초기화(Initialize)

- 클래스나 인터페이스의 초기화 로직이 실행됨

- 이는 링크 단계에서 기본 값으로 초기화된 static 변수들을 프로그래머가 입력한 값으로 정의

 

메모리

- Runtime Data Area

: JVM 프로그램이 실행이 될 때 OS로부터 할당받은 메모리의 영역

- JVM의 메모리 영역으로 자바 애플리케이션을 실행할 때 사용되는 데이터들을 적재한느 영역

- 모든 스레드가 공유해서 사용 -> GC의 대상

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

- 스레드마다 하나씩 생성

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

1. 메서드 영역

: JVM이 시작될 때 생성되는 공간으로 바이트 코드(.class)를 처음 메모리 공간에 올릴 때 초기화되는 대상을 저장하기 위한 메모리 공간

- JVM이 동작하고 클래스가 로드될 때 적재되서 프로그램이 종료될 때까지 저장

- 클래스 수준의 정보(클래스 이름, 부모 클래스 이름, 메서드, 변수)를 저장

- 다른 스레드 사이에서 공유되는 자원

- Method Area에서 저장하는 데이터)

  • Type 정보(class, interface, enum)
  • 메서드와 변수
  • FQCN(Fully Qualified Class Name) : object, 함수, 변수의 계층적 구조를 모두포함하여 표현하는 것

2. 힙 역역

: new 키워드로 생성된 객체와 배열이 생성되는 영역

- 주기적으로 GC가 제거하는 영역

- 효율적인 GC를 위해 위와 같이 크게 3가지의 영역으로 나뉨

1) Young Generation

  • 자바 객체가 생성되자마자 저장되고, 생긴지 얼마 안되는 객체가 저장되는 공감
  • Heap 영역에 객체가 생성되면 최초로 Eden 영역에 할당
  • 그리고 이 영역에 데이터가 어느정도 쌓이게 되면 참조성에 다라 Servivor의 빈 공간으로 이동되거나 회수됨
  • Young Generation영역이 다 차게 되면 참조 정도에 따라 Tenured Generation(Old) 영역으로 이동되거나 회수됨
  • Young Generation과 Tenured Generation에서의 GC를 Minor GC라고 함

2) Tenured Generation

  • Old 영역에 있는 모든 객체들을 검사하여 참조되지 않는 객체들을 한꺼번에 삭제하는 GC가 실행
  • 시간이 오래 걸리는 작업이고, 이때 GC를 실행하는 스레드를 제외한 모든 스레드는 작업이 멈추게 됨 -> Stop-the-World
  • Stop-the-World가 발생하고 Old 영역의 메모리를 회수하는 GC를 Major GC라고 함

3) 스택 영역

  • 지역 변수 ,파라미터, 리턴 값, 연산에 사용되는 임시 값 등이 생성되는 영역

4) PC Register

  • Thread가 생성될 때마다 생성되는 여역으로프로그램 카운터, 즉 현재 스레드가 실행되는 부분의 주소와 명령을 저장하고 있는 영역

5) 네이티브 메서드 스택

  • 자바 이외의 언어로 작성된 네이티브 코드를 실행할 때 사용되는 메모리 영역으로 일반적인 C 스택을 사용
  • 보통 C / C++ 등의 코드를 수행하기 위한 스택을 말하며, 자바 컴파일러에 의해 변환된 자바 바이트 코드를 읽고 해석하는 역할을 하는 것이 자바 인터프리터

3. 실행 엔진

- 클래스 로더에 의해 JVM으로 로드된 .class 파일(바이트 코드)들은 Runtime Data Area의 Method Area에 배치되는데, 배치된 이후에 JVM은 Method Area의 바이트 코드를 실행 엔진(Execution Engine)에 제공하여, 정의된 내용대로 바이트 코드를 실행

- 이때, 로드된 바이트 코드를 실행하는 런타임 모듈이 실행 엔진

- 실행 엔진은 바이트 코드를 명령어 단위로 읽어서 실행

 

4. 가비지 컬렉터(Garbage Collector)

: 더는 사용하지 않는 메모리를 자동으로 회수해줌

- 개발자가 따로 메모리를 관리하지 않아도 되므로, 더욱 손쉽게 프로그래밍을 할 수 있도록 도와줌

- Heap 메모리 영역에 생성된 객체들 중에 참조되지 않은 객체들을 탐색 후 제거하는 역할을 함

- 해당 역할을 하는 시간은 정확히 언제인지를 알 수 없음

- GC 역할을 수행하는 스레드를 제외한 나머지 모든 스레드들은 일시 정지 상태가 됨

- 더이상 참조되지 않는 객체를 정리하는 것을 의미