Java Virtual Machine

자바 애플리케이션이 수행되는 런타임 엔진

Java 애플리케이션이 실행되는 환경은 다음과 같은 계층 구조를 가진다.

Java Application
JVM(Windows/Mac/Linux)
OS(Windows/Mac/Linux)
Computer(Hardware)

자바의 큰 특징 중 하나는 가상 환경인 JVM의 존재인데, Computer -> OS -> JVM -> Java Application 레이어 형태로 JVM 위에서 실행된다. 이러한 특징으로 인해 다음과 같은 특징을 가지게 된다.

• 플랫폼 독립성: JVM 위에서 실행되기 때문에 어느 플랫폼이든 컴파일 된 코드가 실행될 수 있음

• JVM 필수 조건: 실행을 위해서는 반드시 JVM이 필요함

• 성능 이슈: JVM 거치기 때문에 속도가 느릴 수 있음(최근엔 컴파일러와 최적화 기술로 그 속도의 격차를 많이 줄임)

Java 실행 과정

java execution process

• Java Compiler: Java Source Code를 Java Byte Code로 변환

• Class Loader: 바이트 코드 로딩 / 검증 / 링킹 등 수행

• Runtime Data Area: 앱 실행을 위해 사용되는 JVM 메모리 영역

• Execution Engine: 메모리 영역에 있는 데이터를 가져와 해당하는 작업 수행

1. 작성된 Java Source를 Java Compiler를 통해 Java Byte Code로 변환

2. 컴파일 된 Byte Code를 JVM의 Class Loader에 전달

3. Class Loader는 Dynamic Loading을 통해 필요한 클래스들을 로딩 및 링크하여 Runtime Data Area(JVM Memory)로 전달

4. Execution Engine이 올라온 Byte Code들을 명령어 단위로 하나씩 가져와서 실행

Class Loader에서 Class Loading 과정

클래스 로더는 컴파일된 자바 클래스 파일(*.class)을 메모리로 로드하고, Runtime Data Area에 배치하는 역할을 한다. class 파일을 로딩하는 순서는 다음과 같다.

1. Loading: 클래스 로더가 클래스 파일을 읽어들여 JVM 메모리에 로드

2. Linking: 클래스 파일을 사용하기 위해 검증

3. Initialization: 클래스 변수 초기화

클래스를 메모리에 올리는 Loading 단계에서는 클래스를 로드하는 규칙에 따라 클래스 로더가 클래스 파일을 읽어들인다.

• 모든 클래스를 한 번에 로드하는 것이 아니라 필요한 클래스만 동적으로 메모리에 로드

• static 멤버들 또한 전부 메모리에 올라가는 것이 아니라, 클래스 내의 static 멤버를 호출하게 되면 클래스가 동적으로 메모리에 로드

JDK & JRE & JVM

java jdk diagram

• JVM(Java Virtual Machine): 자바 바이트 코드를 실행시키기 위한 가상 머신

• JRE(Java Runtime Environment): 자바 애플리케이션을 실행하기 위한 도구(필요한 라이브러리 및 필수 파일)가 포함된 실행 환경

• JDK(Java Development Kit): 자바로 개발하기 위한 필요 요소(javac 등)를 포함한 개발 키트

JVM 메모리 구조

JVM 메모리는 크게 5가지 영역으로 나뉘며, 각각의 영역은 다음과 같은 역할을 수행한다.

영역	용도	생명 주기	스레드 공유 여부
Method	클래스 정보, 클래스(static) 변수, 상수, 메소드 코드	JVM 시작 ~ 종료	O
Heap	객체 인스턴스, 인스턴스 변수	Gabage Collection에 의해 관리	O
Stack	스레드 별로 런타임에 호출 된 메서드, 지역 변수, 매개 변수, 리턴 값	메서드 종료 시	X

이외에도 스레드의 명령어 주소가 저장되는 PC Register 자바 외의 언어로 작성된 네이티브 코드가 저장되는 Native Method Stack이 존재한다.

참고자료

• Java의 정석