JVM

25 Jul 2016 in Java on Java

• JVM이란?
• 바이트코드란 무엇인가
• JVM 구성요소
  • 클래스 로더
  • 실행 엔진
    • 인터프리터
    • JIT(Just-In-Time)
    • 컴파일 임계치
    • 가비지 콜렉터
  • Runtime Data Area
    • 정의
    • PC Register
    • JVM 스택 영역
    • Native method stack
    • Method Area (= Class Area = Static area)
    • Runtime Constant Pool
    • Heap 영역 (다음페이지 설명)

JVM이란?

Java Virtual Machine의 줄임말.
직역하면 ‘자바를 실행하기 위한 가상 기계(컴퓨터)’라고 할 수 있다.
Java 는 OS에 종속적이지 않다는 특징을 가지고 있다. OS에 종속받지 않고 실행되기 위해선 OS 위에서 Java 를 실행시킬 무언가가 필요하다. 그게 바로 JVM이다.
즉, OS에 종속받지 않고 CPU 가 Java를 인식, 실행할 수 있게 하는 가상 컴퓨터이다.

Java 소스코드, 즉 원시코드(.java)는 CPU가 인식을 하지 못하므로 기계어로 컴파일을 해줘야한다.
하지만 Java는 이 JVM 이라는 가상머신을 거쳐서 OS에 도달하기 때문에 OS가 인식할 수 있는 기계어로 바로 컴파일 되는게 아니라 JVM이 인식할 수 있는 Java bytecode(.class)로 변환된다.

java compiler 가 .java 파일을 .class 라는 Java bytecode로 변환한다.

여기서 Java compiler는 JDK를 설치하면 bin 에 존재하는 javac.exe를 말한다. (즉, JDK에 Java compiler가 포함되어 있다는 소리임)
javac 명령어를 통해 .java를 .class로 컴파일 할 수 있다.

변환된 bytecode는 기계어가 아니기 때문에 OS에서 바로 실행되지 않는다.
이 때, JVM이 OS가 bytecode를 이해할 수 있도록 해석해준다. 따라서 Byte Code는 JVM 위에서 OS 상관없이 실행될 수 있는 것이다.
OS에 종속적이지 않고, Java 파일 하나만 만들면 어느 디바이스든 JVM 위에서 실행할 수 있다.

바이트코드란 무엇인가

자바 바이트 코드(Java bytecode)는 자바 가상 머신이 이해할 수 있는 언어로 변환된 자바 소스 코드이다.
자바 컴파일러에 의해 변환되는 코드의 명령어 크기가 1byte라서 바이트 코드라고 불리고 있다.
확장자는 .class이며 JVM만 설치되어 있으면 어떤 운영체제라도 각 운영체제에 맞는 실행 파일로 변환하여 실행할 수 있다.

바이트 코드는 다시 실시간 번역기 또는 JIT 컴파일러에 의해 바이너리 코드로 변환된다.

바이너리 코드란? 바이너리 코드 또는 이진 코드라고 함
컴퓨터가 인식할 수 있는 0과 1로 구성된 이진코드

기계어란? 0과 1로 이루어진 바이너리 코드이다.
기계어가 이진코드로 이루어졌을 뿐 모든 이진코드가 기계어인 것은 아니다.
기계어는 특정한 언어가 아니라 CPU가 이해하는 명령어 집합이며, CPU 제조사마다 기계어가 다를 수 있다.

즉, CPU가 이해하는 언어는 바이너리 코드, 가상 머신이 이해하는 코드는 바이트 코드이다.

JVM 구성요소

JDK와 JRE의 차이

JDK
Java Development Kit (자바 개발 키트) Java 를 사용하기 위해 필요한 모든 기능을 갖춘 Java용 SDK (Software Development Kit)이다. JDK 는 JRE를 포함하고 있다. JRE에 있는 모든 것 뿐만 아니라 컴파일러(javac)와 jdb, javadoc 과 같은 도구도 있다. 즉, JDK는 프로그램을 생성, 실행, 컴파일할 수 있다.

JRE
Java Runtime Environment (자바 런타임 환경)
JVM + 자바 클래스 라이브러리(Java Class Library) 등으로 구성되어 있다.
컴파일 된 Java 프로그램을 실행하는데 필요한 패키지이다.

요약
JDK는 자바 프로그램을 실행, 컴파일, 개발용 도구.
JRE, JVM를 모두 포함하는 포괄적이 키트이다.
JRE는 자바 프로그램을 실행할 수 있게 하는 도구이다. JVM을 포함하고 있다.

JVM은 크게 아래와 같이 이루어져 있다.

• 클래스 로더(Class Loader)
• 실행 엔진(Execution Engine)
  • 인터프리터(Interpreter)
  • JIT 컴파일러(Just-in-Time)
  • 가비지 콜렉터(Garbage collector)
• 런타임 데이터 영역 (Runtime Data Area)

자바 프로그램 실행과정

1. 프로그램이 실행되면 JVM은 OS로부터 이 프로그램이 필요로 하는 메모리를 할당받는다. JVM은 이 메모리를 용도에 따라 여러 영역으로 나누어 관리한다.
2. 자바 컴파일러(javac)가 자바 소스코드(.java)를 읽어들여 자바 바이트코드(.class)로 변환시킨다.
3. Class Loader를 통해 class파일들을 JVM으로 로딩한다.
4. 로딩된 class파일들은 Execution engine을 통해 해석된다.
5. 해석된 바이트코드는 Runtime Data Areas 에 배치되어 실질적인 수행이 이루어지게 된다. 이러한 실행과정 속에서 JVM은 필요에 따라 Thread Synchronization과 GC같은 관리작업을 수행한다.
6. 즉, 자바 컴파일러가 .java파일을 자바 바이트코드(.class)로 변환시켜준 이후 JVM 내부로 들어오게 된다.

클래스 로더

JVM 내로 클래스 파일(*.class)을 로드하고, 링크를 통해 배치하는 작업을 수행하는 모듈이다.
런 타임시 동적으로 클래스를 로드하고 jar 파일 내 저장된 클래스들을 JVM 위에 탑재한다.
즉, 클래스를 처음으로 참조할 때, 해당 클래스를 로드하고 링크한는 역할을 한다.

실행 엔진

클래스를 실행시키는 역할이다.
클래스 로더가 JVM내의 런타임 데이터 영역에 바이트 코드를 배치시키고, 이것은 실행 엔진에 의해 실행된다.
자바 바이트 코드(*.class)는 기계가 바로 수행할 수 있는 언어보다는 비교적 인간이 보기 편한 형태로 기술된 것이다. 그래서 실행 엔진은 이와 같은 바이트 코드를 실제로 JVM 내부에서 기계가 실행할 수 있는 형태로 변경한다.

인터프리터

실행 엔진은 자바 바이트 코드를 명령어 단위로 읽어서 실행한다.
하지만 한 줄씩 수행하기 때문에 느리다는 단점이 있다.
원래 JVM에서는 인터프리터 방식만 사용하다가 성능 이슈가 발생해서 JIT 컴파일러를 추가해서 성능을 끌어올렸다. 현재는 컴파일과 인터프리터 방식을 병행해서 사용한다.

JIT(Just-In-Time)

인터프리터 방식의 단점을 보완하기 위해 도입된 JIT 컴파일러이다.
인터프리터 방식으로 실행하다가 적절한 시점에 바이트 코드 전체를 컴파일하여 기계어로 변경하고, 이후에는 해당 더 이상 인터프리팅 하지 않고 기계어로 직접 실행하는 방식이다.
해당 메소드가 여러 번 호출할 때 매번 해석하는 것을 방지한다.

**JIT 컴파일러란 무엇이며 어떻게 동작하는가**
JIT 컴파일(just-in-time compliation) 또는 동적 번역(dynamic translation) 이라고 한다.  
JIT 컴파일러는 프로그램을 실제 실행하는 시점에 기계어로 번역하는 컴파일러이다.  
  
인터프리터 방식의 단점을 보완하기 위해 도입되었다.  
인터프리터 방식으로 실행하다가 적절한 시점에 바이트 코드 전체를 컴파일하여 기계어로 변경하고, 이후에는 해당 더 이상 인터프리팅 하지 않고 기계어로 직접 실행하는 방식이다.  
  
기계어(컴파일된 코드)는 캐시에 보관하기 때문에 한 번 컴파일된 코드는 빠르게 수행하게 된다.  
물론 JIT 컴파일러가 컴파일하는 과정은 바이트 코드를 인터프리팅하는 것보다 훨씬 오래걸리므로 한 번만 실행되는 코드라면 컴파일 하지 않고 인터프리팅하는 것이 유리하다.  
따라서 JIT 컴파일러를 사용하는 JVM들은 내부적으로 해당 메서드가 얼마나 자주 수행되는지 체크하고 일정 정도를 넣을때에만 컴파일을 수행한다.  
  
자바에선 자바 컴파일러가 자바 프로그램 코드를 바이트 코드로 변환한 다음,  
실제 바이트 코드를 실행하는 시점에서 자바 가상 머신(JVM, 정확히는 JRE)이 바이트 코드를 JIT 컴파일을 통해 기계어로 변환한다.  

컴파일 임계치

• JIT 컴파일러가 메소드가 자주 사용되는 지 체크하는 방식으로 컴파일 임계치를 사용합니다.
• 컴파일 임계치가 초과하면 JIT 컴파일이 트리거되어서 기계어를 캐싱한다.
• 컴파일 임계치는 아래 두 가지의 합계를 말한다.
• method entry counter (JVM 내에 있는 메서드가 호출된 횟수)
• back-edge loop counter (메서드가 종료된 횟수)

정리하면 프로그램이 실행 중인 런타임 중에 여러번 호출되는 메소드들을 미리 만들어 둔 해석본을 이용해서 컴파일하는 역할을 하는 것이 JIT 컴파일러이다.
아래 예시를 보자.

for (int i = 0; i < 500; ++i) { 
	long startTime = System.nanoTime(); 
	for (int j = 0; j < 1000; ++j) {
		new Object();
	}
	long endTime = System.nanoTime(); 
	System.out.printf("%d\t%d\n", i, endTime - startTime); 
}

아래 결과를 보면 특정 시점부터 실행시간 간격이 급격히 줄어드는 것을 볼 수 있다.

가비지 콜렉터

더이상 사용되지 않는 인스턴스를 찾아 메모리에서 삭제함.

Runtime Data Area

정의

프로그램을 수행하기 위해 OS에서 할당받은 메모리 공간

PC Register

Thread가 시작될 때 생성되며 생성될 때마다 생성되는 공간으로, 스레드마다 하나씩 존재한다.
Thread가 어떤 부분을 어떤 명령으로 실행해야할 지에 대한 기록을 하는 부분으로 현재 수행 중인 JVM 명령의 주소를 갖는다.

프로세스(process)란?
단순히 실행 중인 프로그램(program)
즉, 사용자가 작성한 프로그램이 운영체제에 의해 메모리 공간을 할당받아 실행 중인 것을 말한다.
이러한 프로세스는 프로그램에 사용되는 데이터와 메모리 등의 자원 그리고 스레드로 구성된다.

스레드(thread)란?
스레드(thread)란 프로세스(process) 내에서 실제로 작업을 수행하는 주체를 의미 모든 프로세스에는 한 개 이상의 스레드가 존재하여 작업을 수행한다.
또한, 두 개 이상의 스레드를 가지는 프로세스를 멀티스레드 프로세스(multi-threaded process)라고 한다.

JVM 스택 영역

프로그램 실행과정에서 임시로 할당되었다가 메소드를 빠져나가면 바로 소멸되는 특성의 데이터를 저장하기 위한 영역이다. 각종 형태의 변수나 임시 데이터, 스레드나 메소드의 정보를 저장한다. 메소드 호출 시마다 각각의 스택 프레임(그 메서드만을 위한 공간)이 생성된다. 메서드 수행이 끝나면 프레임 별로 삭제를 한다. 메소드 안에서 사용되는 값들을 저장한다. 또 호출된 메소드의 매개변수, 지역변수, 리턴 값 및 연산 시 일어나는 값들을 임시로 저장한다.

Native method stack

자바 프로그램이 컴파일되어 생성되는 바이트 코드가 아닌 실제 실행할 수 있는 기계어로 작성된 프로그램을 실행시키는 영역.
JAVA가 아닌 다른 언어로 작성된 코드를 위한 공간. Java Native Interface를 통해 바이트 코드로 전환하여 저장하게 된다. 일반 프로그램처럼 커널이 스택을 잡아 독자적으로 프로그램을 실행시키는 영역

Method Area (= Class Area = Static area)

클래스 정보를 처음 메모리 공간에 올릴 때 초기화되는 대상을 저장하기 위한 메모리 공간

Runtime Constant Pool

스태틱 영역에 존재하는 별도의 관리영역. 상수 자료형을 저장하여 참조하고 중복을 막는 역할을 수행한다.

스태틱 영역에 저장되는 데이터
Field Information (멤버 변수!)
멤버변수의 이름, 데이터 타입, 접근 제어자에 대한 정보

Method Information (메소드!)
메소드의 이름, 리턴타입, 매개변수, 접근 제어자에 대한 정보

Type Information (타입!)
class인지 interface인지의 여부 저장. Type의 속성, 전체 이름, super 클래스의 전체 이름. (interface이거나 object인 경우 제외된다. 이건 Heap에서 관리함)

Heap 영역 (다음페이지 설명)