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[Java] JVM에 대해

Posted Feb 5, 2023 Updated Feb 25, 2023
By 나현
9 min read

2월 1주차 스터디 발표 자료📖
기술 면접을 준비하며 정했던 주제 중 7번 째 주제입니다!
JVM(Java Virtual Machine)에 대해 정리하고자 합니다.

JVM의 정의

  • Java로 개발된 프로그램을 컴파일하면 만들어지는 자바 바이트코드를 각 OS에 특화된 코드로 변환하여 실행시켜주는 가상머신이다.
    ➔ 즉, OS에 종속받지 않고 CPU가 Java를 인식하여 실행 할 수 있게 해주는 가상 컴퓨터이다.
  • Garbage Collection을 통해 메모리 관리를 수행한다.

JVM의 실행과정

  1. Class Loader를 통해 .class 파일들을 JVM 메모리에 탑재한다.
  2. JVM 메모리에 탑재된 클래스 파일(바이트 코드)들은 실행엔진의 Interpreter와 JIT Compiler를 통해 기계어로 번역되어 명령어 단위로 실행된다.

JVM의 구조

jvm의 구조

1. 클래스 로더?

  • .class 확장자를 가진(컴파일 된 클래스) 클래스 파일을 찾아서 JVM의 메모리에 탑재해주는 역할을 한다.
  • 모든 클래스 파일을 한번에 메모리에 올리는 것이 아닌, 요청이 있을 때마다 파일로부터 읽어서 메모리에 탑재한다.
  • 클래스 로더가 클래스 로드 요청을 받으면? (위임 구조)
    1. 캐시 확인: 이전에 불러온 클래스인지 확인
    2. 상위 클래스 로더 확인: 상위 클래스 로더에서 불러온적 있는지 확인
    3. 자기 자신 확인: 하위 클래스 로더(본인)에서 불러온다.

  • 클래스 로더 시스템의 동작 과정? 클래스 로더 동작과정
    1. Loading?
      .class 파일을 읽고 그 내용에 따라 적절한 바이너리 데이터를 만들어, Method 영역에 저장한다. 로딩이 끝나면 해당 클래스 타입의 객체를 생성하여 힙 영역에 저장한다.
      ➔ 즉, 간단히 말하면 클래스 파일을 JVM의 메모리 영역에 로딩한다.

    2. Linking?
      2-1. 검증단계
      바이트 코드가 정상적으로 자바의 규칙을 따르고 있는지 검증한다.
      2-2. 준비단계
      클래스가 필요로하는 메모리양을 미리 할당해둔다.
      2-3. 분석단계
      해당 클래스가 참조하는 객체의 실제 메모리 주소 값을 할당한다.

    3. Initialization?
      클래스 안의 static 변수의 값을 할당하고 클래스를 초기화한다.
  • 클래스 로더의 종류 (계층적 구조)
    1. Bootstrap Class Loader?
      JVM을 실행할 때 가장 먼저 실행이되며, 자바의 기본적인 클래스를 로드한다.
    2. Extension Class Loader?
      자바의 기본 클래스에서 확장된 클래스를 로드한다.
    3. System Class Loader?
      classpath안에 있는 클래스들을 로드한다.(개발자가 작성한 소스파일)
    4. User-Defined Class Loader?
      사용자가 직접 생성해서 사용하는 클래스 로더

2. 실행 엔진?

  • Class Loader로 Load된 클래스 파일(바이트 코드) 을 실행한다.

  • CPU는 바이트 코드를 이해하지 못하기 때문에, 기계어로 번역하는 과정이 필요하다.

  • 실행 엔진의 실행 방식?
    1. Interpreter?
      바이트 코드를 한줄씩 읽어 기계어로 변환하여 실행한다.
      • 단점?
        반복 호출되는 메서드를 매번 기계어로 번역해야하므로, 비효율적이다.
    2. JIT Compiler
      • 인터프리터의 문제를 해결하기 위한 컴파일러
      • 코드 전체에서 반복 호출되는 메소드가 있다면, JIT Compiler가 기계어로 변환하여
        Native Method Stack에 저장한다.
      • 변환된 부분은 인터프리터에 의해 실행되지않고 기계어 상태(native code)로 즉시 실행된다.
      • JIT 컴파일러가 컴파일 하는 과정은 인터프리팅 방식보다 훨씬 오래걸리기 때문에,
        한 번만 실행되는 코드라면 인터프리팅 하는 것이 유리하다.
      • 따라서 JIT 컴파일러를 사용하는 JVM들은 내부적으로 해당 메서드가 얼마나 자주 수행되는지
        확인하고 일정 수준 이상으로 사용된다면 컴파일을 수행하게 된다.

3. 가비지 컬렉션?

동적으로 할당한 메모리 영역 중 사용하지 않는 영역을 탐지하여 해제하는 기능
➔ 해당 내용은 포스팅으로 따로 정리해두었다!

4. 런타임 데이터 영역?

  • PC register, Stack, Native Method Stack은 스레드마다 하나씩 생성된다.
  • Heap, Method 영역은 모든 스레드가 공유해서 사용한다.
    1. PC register?
      • JVM이 수행 중인 명령어의 주소
      • 각 스레드가 시작될 때 생성된다.
      • 만약, 네이티브 메서드를 실행하고 있다면 PC register 값은 정의되지않는다.
    2. Stack?
      • 각 스레드가 시작될 때 생성된다.
      • Frame을 저장하는 스택
      • 메서드가 수행될 때마다 하나의 스택 프레임이 생성되어 해당 스레드의 Stack에 추가되고,
        메서드가 종료되면 스택 프레임이 제거된다.
      • 🤔Frame은 뭘까?
        메소드 상태 정보를 저장하는 영역
        1. Local Variable
          메소드 안의 지역 변수들을 array 형태로 가지고 있다.
        2. Operand Stack
          메소드 내 연산을 위해, 바이트 코드 명령문들이 들어있다.
        3. Constant Pool Reference
          Constant Pool 참조를 위한 공간
    3. Native Method Stack?
      • 자바 외의 언어로 작성된 Native Language를 위한 스택
    4. Heap?
      • 모든 스레드들이 공유하는 메모리 영역
      • new 키워드로 생성된 객체와 배열이 저장된다.
      • Method Area에 로드된 클래스만 생성이 가능하다.
      • 참조하는 변수나 필드가 없다면 접근할 수 없는 객체가 되어 GC의 대상이 된다.
      • Heap 영역이 가득 차게 되면 OutOfMemoryError를 발생시키게된다.
    5. Method Area?
      • 모든 스레드들이 공유하는 메모리 영역
      • 클래스가 Loading될 때 생성
      • 클래스 정보, 변수 정보, 매소드 정보, Static 변수, final class 변수, Constant pool 등을 분류해서
        저장한다.
      • 🤔 Constant Pool?
        문자 상수, 타입, 필드, 객체 참조가 저장되는 영역
Study, Java
Java 기술면접
This post is licensed under CC BY 4.0 by the author.
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