JVM 이란?

JVM은 Java Virtual Machine의 약자로, 자바 가상머신이라고 부른다. JVM은 자바와 운영체제 사이에서 중개자 역할을 수행하며, 자바가 운영체제에 구애받지 않고 프로그램을 실행할 수 있도록 도와준다.(JVM은 운영체제에 종속적임)

또한 Garbage Collector를 사용한 메모리 관리도 자동으로 수행하며 다른 하드웨어와 다르게 레지스터 기반이 아닌 스택 기반으로 동작한다.

Java 프로그램을 실행하는 동작 원리는 다음과 같다.

우선적으로 src/Test.java 파일을 구동한다고 가정해보면 실행 과정은 다음과 같다.

Test.java는 소스파일이어서 그 자체로 실행이 불가능하다. 따라서 Test.java를 실행하면 우선 컴파일 과정을 거치게 된다.
컴파일이 성공적으로 완료된 소스파일(Test.java)는 실행 가능한 파일(Test.class)를 생성하게 된다. 단, .class 파일은 실행파일(.exe)이 아니고 바이트코드(byte code)이기 때문에 바로 실행이 불가능하다.
마지막으로 JVM이 .class 파일을 메모리에 로드하고, 자신의 운영체제에 맞게 다시 컴파일을 하여 .exe 를 만들어서 실행한다.

JVM 덕분에 자바를 운영체제에 독립적으로 실행할 수 있지만, JVM은 운영체제에 종속적이다. 따라서 만약 자바 소스파일을 리눅스 환경에서 만들고 이 소스파일을 윈도우에서 실행하고 싶다면 윈도우용 JVM을 설치하여 실행하면 된다.

JVM 구조

JVM 내부에서는 크게 Class Loader, Garbage Collector, Execution Engine 의 세 가지로 나뉜다.

Class Loader

자바 컴파일러가 .java 파일을 컴파일하면 .class 파일(바이트 코드)가 생성된다. 이렇게 생성된 클래스 파일을 엮어서 Runtime Data Area 형태로 메모리에 적재하는 역할을 한다.

어떤 메서드를 호출하는 문장을 만났는데, 그 메서드를 가진 클래스 바이트코드가 아직 로딩된 적이 없다면 곧바로 JVM은 JRE 라이브러리 폴더에서 클래스를 찾는다.
없으면 ClassPath 환경변수에 지정된 폴더에서 클래스를 찾는다.
찾았으면 그 클래스 파일이 올바른지 바이트코드를 검증한다.
올바른 바이트코드라면 메서드 영역으로 파일을 로딩한다.
클래스 변수를 만들라는 명령어가 있으면 메서드 영역에 그 변수를 준비한다.
클래스 블록이 있으면 순서대로 그 블록을 실행한다.

이렇게 한번 클래스의 바이트코드가 로딩되면 JVM이 종료될 때까지 유지한다.

Execution Engine

메모리에 적재된 클래스들을 기계어로 변경해서 명령어 단위로 실행하는 역할을 한다.

방식에는 두 가지가 있는데, 명령어를 하나씩 실행하는 인터프리터 방식과 실행 시점에 자주 쓸만한 코드들을 기계어로 변환 시켜놓고 저장해서 사용하는 JIT(Just In Time) 방식이 있다.

Garbage Collector

Heap 메모리 영역에 생성된 객체들중에 Reachability를 잃은 객체를 탐색 후 제거하는 역할을 한다.

자세한 내용은 검색해서 살펴보도록 하자.

Runtime Data Area

Method Area
- 클래스 멤버변수, 메서드 정보, Type(Class, Interface) 정보, Constant Pool, static, final 변수 등이 생성된다.
Heap Area
- 동적으로 생성된 오브젝트와 배열이 저장되는 곳으로 Garbage Collection의 대상이 되는 영역이다.
Stack Area
- 지역 변수, 파라미터 등이 생성되는 영역이다. 동적으로 객체를 생성하면 실제 객체는 Heap 영역에 할당되고 해당 참조만 Stack에 저장된다. Stack은 스레드별로 독자적으로 가진다.
- Heap에 있는 오브젝트가 Stack에서 참조할 수 없는 경우에는 GC의 대상이 된다.
PC Register
- 현재 쓰레드가 실행되는 부분의 주소와 명령을 저장하고 있다. (CPU의 PC Register와는 다르다.)
Native Method Stack
- 자바외 언어로 작성된 네이티브 코드를 위한 메모리 영역이다.