JVM(Java Virtual Machine)

가상 머신(Virtual Machine)

안에서 돌아가는 소프트웨어가 가상머신이 제공하는 환경과 자원에 제한을 받으며 가상 환경을 벗어날 수 없다.

• System Virtual Machine
  • 완전한 OS 실행을 지원.
  • 같은 컴퓨터 내에서 여러 운영체제를 돌릴 수 있다.
• Process Virtual Machine
  • 단일 프로세스를 지원
  • 플랫폼에 독립적인 실행환경과 추상화를 제공하여 하나의 프로그램을 실행한다.
  • JVM이 이런 경우다. (C#의 CLR도 마찬가지)

JVM?

JVM은 명세이다. 이 명세를 따른 구현체들이 따로 존재한다. (HotSpot VM 등등)

JVM Architecture

Java로 작성된 코드는 Compiler가 바이트 코드(.class 파일) 로 변환하고, JRE에 속한 JVM이 이 바이트 코드를 JIT 컴파일하여 실행된다.

• JDK (Java Development Kit)
  • JRE를 포함하며, 개발을 위한 컴파일러나 디버거도 같이 제공된다.
• JRE (Java Runtime Environment)

구성 요소

https://www.freecodecamp.org

Class Loader

https://www.freecodecamp.org

Loading

1. 클래스 정보를 읽어온다.

• ‘.class’ 파일을 읽으면, 관련된 바이너리 데이터를 생성하고 이를 method area에 저장한다.
• method area에 저장되는 정보들은 다음과 같다
  • 패키지 명이 전부 포함된 클래스 경로(Fully Qualified Name), 해당 클래스의 부모 클래스
  • ‘.class’파일이 Class인지, Interface인지 Enum인지 여부
  • 접근 한정자(private, public …)와 메서드 정보 등

JVM이 클래스를 불러올 때 사용하는 3가지 로더는 다음과 같다.

1. Bootstrap ClassLoader
   • 최상위 ClassLoader이다. 이 로더가 JAR파일이나 $JAVA_HOME/jre/lib 경로의 코어 라이브러리에서 패키지를 불러온다.
2. Extension ClassLoader
   • Bootstrap 클래스 로더의 하위 클래스이고, Application ClassLoader의 상위 클래스이다.
   • $JAVA_HOME/jre/lib/ext 경로에서 패키지 파일을 불러온다.
3. Application ClassLoader
   • 이 클래스로더는 classpath의 파일들을 불러온다. (기본 경로값은 현재 어플리케이션 디렉토리)
   • 클래스를 못 찾으면 ClassNotFoundError를 던진다.

2. 정보를 읽어온 후엔 클래스 타입의 오브젝트를 생성한다.

• JVM이 클래스를 처음 로딩해오면 JVM은 java.lang 패키지에 정의된 Class 클래스에서 오브젝트를 생성한다.
• 이 클래스 오브젝트는 프로그래머가 클래스들의 정보(클래스명, 부모 클래스명, 메서드나 변수 정보 등)를 얻기 위해 사용할 수 있다.
• 클래스마다 하나의 오브젝트만 존재하도록 관리된다.
• 그리고 이 ‘Class’타입 오브젝트는 힙에 저장된다.

Linking

1. Verification

• .class파일을 로딩해올 때, bytecode verifier라는 프로그램이 .class파일을 검증한다.
  • 유효한 컴파일러로 컴파일 된 것인지.
  • 올바른 구조, 포맷인지.
• verification중 하나라도 실패하면 JVM은 verifier exception 에러를 런타임에 던진다.

2. Preparation

• 만약 클래스가 instance level이거나 static 변수를 가지고 있으면 기본값으로 초기화 시킨다. (설정해둔 초기값이 아님)
• ex. boolean → false, int → 0, 이런 식.

3. Resolution

• 참조 변수들을 실제 메모리 주소값으로 변경한다.

Initialization

코드로 설정한 초기값들이 여기서 할당된다. 그리고 클래스의 정적 영역들이 실행된다.

Memory Area (= Runtime Data Area)

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• Method Area
  • 모든 클래스 정보. (method data, constructor details …)
  • JVM마다 하나가 존재하며, 다른 스레드들과 공유되는 공간이다.
• Heap
  • 모든 오브젝트, static 변수(JAVA 8부터 적용)
  • JVM마다 하나가 존재하며, 다른 스레드들과 공유되는 공간이다.
• Stack
  • 함수 호출마다 쌓임. 로컬 변수들이 저장된다.
  • 각 스레드마다 존재하며, 스레드가 종료되면 해당 영역도 제거된다.
• PC Register
  • 각 스레드마다 존재하며, 현재 실행중인 명령어 위치를 저장한다.
• Native Method Stack
  • 각 스레드마다 존재하며, native methods 정보를 저장한다.

Execution Engine

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.class 코드(bytecode)를 실행한다.

Interpreter

• bytecode를 읽으면서 machine code로 변환한다.

JIT compiler

• JVM은 처음엔 인터프리터를 쓰지만, 해석해야 할 bytecode가 반복적이면, JVM은 JIT를 대신 사용해서 전체 코드를 machine code로 컴파일한다. (매번 같은 코드에 대해 인터프리터를 사용하는 것 보다 한번에 컴파일해서 최적화 하는게 더 빠르기 때문)
• JIT compiler는 다음과 같은 4가지로 이루어져 있다
  • Intermediate Code Generator - 중간 코드 생성
  • Code Optimizer - 코드 최적화
  • Target Code Generator - 머신 코드 생성
  • Profiler - 최적화를 위해 반복되는 코드를 찾음(hotspot)

GC(Garbage Collector)

• C 같은 언어들은 프로그래머가 직접 메모리를 할당/해제 해야 하지만 Java는 JVM이 알아서 처리해준다.
• GC는 백그라운드로 실행되면서 주기적으로, 더 이상의 참조가 없는 Heap 상의 오브젝트들을 해제한다.
  • Mark → 메모리에서 더 이상 쓰지 않는 오브젝트들을 마킹.
  • Sweep → 마킹된 오브젝트들을 해제.
• GC 방법엔 여러가지가 있다.
  • Serial GC → 싱글스레드 환경으로 돌아감. GC가 동작하면 어플리케이션이 멎어버림.
  • Parallel GC → 멀티 스레드를 이용. (하지만 여전히 어플리케이션이 멎을 때가 있음)
  • G1GC

JNI interface

JVM에서 실행하는 자바 코드가 네이티브 응용 프로그램이나 다른 언어로 작성된 라이브러리를 호출/호출되는 것을 가능하게 하는 프레임워크. .dll 또는 .so 포맷.

참고

• https://hasithas.medium.com/understanding-how-java-virtual-machine-jvm-works-a1b07c0c399a

• https://www.geeksforgeeks.org/jvm-works-jvm-architecture/