[Java] JVM 총정리 (Class Loader, Execution Engine, Runtime Data Area)

🤔 JVM(Java Virtual Machine) 이란?

 

JVM 이란 Java 가상 머신이라고 불리는 소프트웨어로 Java 애플리케이션이 동작할 수 있는 환경을 제공합니다. JVM 은 애플리케이션과 운영체제 사이에서 중재자 역할을 수행합니다. 덕분에 Java 는 어느 운영체제 환경에서도 실행될 수 있고, ‘write once and run anywhere’ 이라는 표현이 붙게 되었습니다.

 

 

💫 JVM 구성 요소

 

JVM 구성

 

JVM 구성 요소는 위와 같이 크게 세 가지로 분류됩니다.

 

• Class Loader

• Execution Engine

• Runtime Data Area

 

클래스 로더(Class Loader)가 컴파일된 자바 바이트코드를 런타임 데이터 영역(Runtime Data Area)에 로드하고, 실행 엔진(Execution Engine)이 자바 바이트코드를 실행합니다.

 

 

⛓️ 컴파일

 

JVM 구성 요소에 대해 살펴보기 전에 먼저 컴파일 과정에 대해 알아보겠습니다.

 

 

⛓️ .class 파일

 

개발자는 .java 확장자를 가진 파일에 소스 코드를 작성합니다. 소스 코드는 사람이 알아보기 쉽게 작성되어 있지만, 기계는 이를 해석할 수 없습니다. 이를 JVM 이 해석할 수 있는 내용으로 소스 코드를 변환하는 과정을 컴파일(compile) 이라고 합니다. 컴파일은 JDK 를 설치할 때 포함되어 있는 javac 에 의해 수행됩니다.

 

컴파일이 완료되면 JVM 이 해석할 수 있는 바이트 코드로 작성된 .class 확장자를 가지는 파일이 생성됩니다.

 

 

🔌 Class Loader

 

이제 JVM 의 구성 요소에 대해 알아보겠습니다.

 

클래스 로더는 JVM 내에서 컴파일 된 클래스 파일을 로드하는 역할을 수행하는 컴포넌트입니다. 클래스 로더는 크게 Loading, Linking, Initialization 3가지 주요 기능을 수행합니다.

 

 

🔌 Loading

 

클래스 로더는 클래스 파일을 파일 시스템 혹은 네트워크에서 찾아 JVM 으로 로드합니다. 각각의 클래스 파일들이 기본으로 제공되는 클래스 파일인지 혹은 개발자가 정의한 클래스 파일인지와 같은 기준에 따라 클래스 로더 또한 Bootstrap Class Loader, Extension Class Loader, Application Class Loader 로 나뉘게 됩니다.

 

1. Bootstrap Class Loader

최상위 클래스 로더입니다. rt.jar 를 포함하여, JVM 을 구동시키기 위한 가장 필수적인 라이브러리의 클래스들을 JVM 에 로드합니다.

 

2. Extension Class Loader

Bootstrap Class Loader 다음으로 우선순위를 가지며, JDK 확장 라이브러리에서 핵심 자바 클래스들을 로드합니다. 보통 /jre/lib/ext 디렉토리 또는 java.ext.dirs 환경변수로 지정된 디렉토리의 파일을 로드합니다.

 

3. Application ClassLoader

JVM 클래스 로더 계층 구조에서 최하위에 위치하며, 사용자가 작성한 애플리케이션 코드와 관련된 클래스들을 로드합니다.

 

 

🔌 Linking

 

클래스 파일이 로드 된 후에는 링크 과정을 거칩니다. 링크 과정은 로드된 클래스 파일들을 검증하고, 사용할 수 있게 준비하는 과정을 의미합니다. 이 과정은 Verification, Preparation, Resolution 이라는 세 가지 단계로 이루어져 있습니다.

 

1. Verification

클래스 파일이 유효한지 검사하고, JVM 이 안전하게 실행될 수 있는지 확인하는 과정입니다. 클래스의 구조적인 유효성, 상속 관계, 필드 및 메서드의 접근 권한 등을 검사합니다.

 

2. Preparation

클래스의 정적 필드를 할당하고 기본값으로 초기화합니다. 이 단계에서는 메모리 공간만 할당되고, 실제 초기화는 Initialization 단계에서 이루어집니다.

 

3. Resolution

Symbolic Reference(다른 클래스를 가리키는 논리 참조)가 존재하는 경우 JVM 의 Method Area 의 런타임 환경 풀을 이용하여 Direct Reference 라는 실제 메모리 위치로 교체합니다.

 

 

🔌 Initialization

 

Linking 과정이 끝난 후 Initialization 단계에서는 클래스와 인터페이스의 값들을 지정한 값들로 초기화 및 초기화 메서드를 실행시켜줍니다. 클래스 로더를 통한 클래스 탑재 과정이 끝나면 JVM 에서 클래스 파일을 구동시킬 준비가 끝나게 됩니다.

 

 

▶️ Execution Engine

 

실행 엔진은 자바 바이트 코드를 실제로 실행 가능한 기계 코드로 변환하고 실행하는 역할을 수행합니다.

 

Execution Engine 은 크게 두 가지로 구분됩니다.

 

• Interpreter

• JIT Compiler

 

 

▶️ Interpreter

 

인터프리터는 컴파일된 .class 파일의 바이트코드를 한 줄씩 읽고 해석하여 실행하는 역할을 수행합니다. 하지만 인터프리터의 실행 방식은 반복적인 해석 과정이 필요하기 때문에 실행 속도가 C, C++ 처럼 컴파일을 통해 미리 기계어로 번역되는 언어에 비해 상대적으로 속도가 느리다는 단점이 있습니다. 이러한 단점을 보완하기 위해 JIT 컴파일러와 함께 사용됩니다.

 

 

▶️ JIT 컴파일러

 

JIT(Just In Time) 컴파일러는 Interpreter 의 성능을 향상시키기 위해 도입된 기술입니다. JIT 컴파일러는 인터프리터가 반복적으로 실행하는 부분을 동적으로 기계어로 변환하여 실행 속도를 향상시킵니다. 인터프리터 방식으로 실행하다가 적절한 시점에 특정 메서드를 컴파일하여 기계어로 변환하고, 이후에는 더 이상 인터프리팅하지 않고 기계어로 직접 실행하는 방식입니다. 기계어를 실행하는 것이 인터프리팅하는 것보다 빠르고, 변환된 기계어는 캐시에 보관되기 때문에 한번 변환된 코드는 계속해서 빠르게 실행될 수 있습니다.

 

JIT 컴파일러가 컴파일하는 과정은 바이트코드를 인터프리팅하는 것보다 더 오래걸리는 작업입니다. 따라서, JIT 컴파일러는 메서드가 얼마나 자주 수행되는지 체크하고 일정 임계치를 넘은 경우에만 컴파일을 수행합니다.

 

 

🗄️ Runtime Data Area

 

런타임 데이터 영역 구성

 

런타임 데이터 영역은 JVM 이 운영체제 위에서 실행되면서 할당받는 메모리 영역입니다. 위 그림과 같이 6개의 영역으로 나뉘게 됩니다. PC 레지스터, JVM 스택, 네이티브 메서드 스택은 스레드별로 하나씩 생성되며 힙, 메서드 영역, 런타임 상수 풀은 모든 스레드에서 공유됩니다.

 

 

🗄️ PC Register

 

• PC(Program Counter) 레지스터는 각 스레드마다 하나씩 존재하며 스레드가 시작될 때 생성됩니다.

• 현재 수행중인 JVM 명령의 주소를 가집니다.

 

 

🗄️ JVM Stack

 

• 각 스레드마다 하나씩 존재하며 스레드가 시작될 때 생성됩니다.

• 스택 프레임이라는 구조체를 저장하는 스택입니다. 각 스택 프레임은 지역 변수 배열, 피연산자 스택, 현재 실행중인 메서드가 속한 클래스의 런타임 상수 풀에 대한 레퍼런스를 가집니다.

• JVM 내에서 메서드가 수행될 때마다 하나의 스택 프레임이 생성되어 해당 스레드의 JVM 스택에 추가되고 메서드가 종료되면 스택 프레임이 제거됩니다.

 

 

🗄️ Native Method Stack

 

• 각 스레드별로 소유합니다.

• Java 외의 언어로 작성된 네이티브 코드를 위한 스택입니다.

• JNI(Java Native Interface)를 통해 호출하는 C/C++ 등의 코드를 수행하기 위한 스택입니다.

 

 

🗄️ Heap

 

• 모든 스레드에서 공유합니다.

• 인스턴스 또는 객체를 저장하는 공간으로 Garbage Collection 대상입니다.

 

 

🗄️ Method Area

 

• 모든 스레드에서 공유하는 영역으로 JVM 이 시작될 때 생성됩니다.

• JVM 이 읽은 클래스와 인터페이스에 대한 런타임 상수 풀, 필드와 메서드 정보, static 변수, 메서드의 바이트코드 등을 보관합니다.

 

 

🗄️ Runtime Constant Pool

 

• 메서드 영역에 포함되는 영역입니다.

• 각 클래스와 인터페이스의 상수뿐만 아니라, 메서드와 필드에 대한 모든 레퍼런스까지 담고 있는 테이블입니다.

• 어떤 메서드나 필드를 참조할 때 JVM 은 런타임 상수 풀을 통해 해당 메서드나 필드의 실제 메모리상 주소를 찾아서 참조합니다.

 

 

📚 참고

 

https://tecoble.techcourse.co.kr/post/2021-07-15-jvm-classloader/

https://d2.naver.com/helloworld/1230