[팀 스터디] JAVA / CS

 

 

 

JVM 이란 무엇인가

 

✅ JVM(Java Virtual Machine)이란?

자바 가상 머신! ➡️ 자바 프로그램 실행환경을 만들어 주는 소프트웨어

자바 코드를 컴파일하여 .class 바이트 코드로 만들면 이 코드가 자바 가상 머신 환경에서 실행된다.

 

1️⃣ JVM(Java Virtual Machine)의 장점

Java는 어떠한 플랫폼에 영향을 받지 않음 ➡️ JVM을 사용하면 하나의 코드(.class)로 모든 플랫폼에서 동작하도록 할 수 있음

.class 파일은 바이트 코드로, 사람이 쓰는 자바 코드에서 컴퓨터가 읽는 기계어로의 중간 단계!

 

 

C언어의 경우

C언어로 작성된 likelion.c가 있다고 가정해보자.

이 likelion.c를 윈도우에서 컴파일하면 likelion.exe가 만들어진다. 윈도우 컴파일러로 컴파일되었기에 likelion.exe는 윈도우에서만 실행되는 실행 파일이다. 즉 리눅스 운영체제와 같이 컴파일 플랫폼과 타겟 플랫폼이 다를 경우에는 프로그램이 동작하지 않는다. 만약 이 likelion.exe 파일을 리눅스에서 실행하려면 -리눅스 운영체제에 맞는 실행 파일을 새로 만들어야 한다.

 

 

Java의 경우

Java의 경우에는 Java언어로 작성된 likelion.java는 컴파일하면 likelion.class 파일이 생성된다. 이렇게 생성된 바이트 코드는 각자의 플랫폼에 설치되어 있는 자바 가상 머신(JVM)이 운영체제에 맞는 실행 파일로 바꿔준다. 즉 Java에서는 C언어와는 달리 JVM을 사용하기 때문에 각자의 플랫폼에 맞게끔 컴파일을 따로따로 해줘야 할 필요가 없다.

 

※ Java는 플랫폼에 종속적이지 않지만, JVM은 플랫폼에 종속적이다.

즉 리눅스의 JVM과 윈도우의 JVM은 서로 다르다. 자바로 작성된 모든 프로그램은 자바 가상 머신에서만 실행될 수 있으므로, 자바 프로그램을 실행하기 위해서는 반드시 자바 가상 머신이 설치되어 있어야 한다. 따라서 오라클은 대부분의 주요 운영체제뿐만 아니라 웹 브라우저, 스마트 폰, 가전기기 등에서도 자바 가상 머신을 손쉽게 설치할 수 있도록 지원하고 있다.

 

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✅ JVM 구조

 

➡️ 자바 동작 방식

1. 자바로 개발된 프로그램을 실행하면 JVM은 OS로부터 메모리를 할당한다.

2. 자바 컴파일러(javac)가 자바 소스코드(.java)를 자바 바이트코드(.class)로 컴파일한다.

3. Class Loader를 통해 JVM Runtime Data Area로 로딩한다.

4. Runtime Data Area에 로딩 된 .class들은 Execution Engine을 통해 해석한다.

5. 해석된 바이트 코드는 Runtime Data Area의 각 영역에 배치되어 수행하며,

    이 과정에서 Execution Engine에 의해 GC의 작동과 스레드 동기화가 이루어진다.

 

1️⃣ 클래스 로더 : 동적으로 클래스를 로딩해주는 역할

자바는 동적으로 클래스를 읽어오므로, 프로그램이 실행 중인 런타임에서야 모든 코드가 자바 가상 머신과 연결된다. 자바에서 소스를 작성하면 .java파일이 생성되고 .java소스를 컴파일러가 컴파일하면 .class파일이 생성되는데 클래스 로더는 .class 파일을 묶어서 JVM이 운영체제로부터 할당받은 메모리 영역인 Runtime Data Area로 적재한다.

 

2️⃣ 실행 엔진 : 로드된 바이트코드를 실행하는 런타임 모듈

클래스 로더에 의해 JVM으로 로드된 .class 파일들은 Runtime Data Areas의 Method Area에 배치되는데, 배치된 이후에 JVM은 Method Area의 바이트 코드를 실행 엔진(Execution Engine)에 제공하여, 정의된 내용대로 바이트 코드를 실행시킨다. 실행 엔진은 바이트코드를 명령어 단위로 읽어서 실행한다.

 

3️⃣ 가비지 컬렉터 :  Heap 메모리 영역에 생성(적재)된 객체들 중에 참조되지 않은 객체들을 탐색 후 제거하는 역할

자바 가상 머신은 가비지 컬렉터를 이용하여 더는 사용하지 않는 메모리를 자동으로 회수한다. 따라서 개발자가 따로 메모리를 관리하지 않아도 되므로, 더욱 손쉽게 프로그래밍을 할 수 있다. Heap 메모리 영역에 생성(적재)된 객체들 중에 참조되지 않은 객체들을 탐색 후 제거하는 역할을 하며, GC역할을 수행하는 스레드를 제외한 나머지 모든 스레드들은 일시정지상태가 된다.

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✅ 자바 메모리 구조

자바 애플리케이션을 실행할 때 사용되는 데이터들을 적재하는 영역

 

➡️ 모든 스레드가 공유해서 사용 (GC의 대상)

• 힙 영역 (Heap Area)
• 메서드 영역(Method Area)

 

➡️ 스레드(Thread) 마다 하나씩 생성

• 스택 영역(Stack Area)
• PC 레지스터 (PC Register)
• 네이티브 메서드 스택(Native Method Stack)

 

1️⃣ 메서드 영역

클래스 멤버 변수의 이름, 데이터 타입, 접근 제어자 정보와 같은 각종 필드 정보들과

메서드 정보, 데이터 Type 정보, Constant Pool, static변수, final class 등이 생성되는 영역

 

2️⃣ 힙 영역

new 키워드로 생성된 객체와 배열이 생성되는 영역 (주기적으로 GC가 제거하는 영역)

Heap Area는 효율적인 GC를 위해 위와 같이 크게 Young / Tenured / Permanent Generation 3가지의 영역으로 나눈다.

 

1) Young Generation 영역 : 자바 객체가 생성되자마자 저장되고, 생긴지 얼마 안되는 객체가 저장되는 공간

Heap 영역에 객체가 생성되면 최초로 Eden 영역에 할당되고, 이 영역에 데이터가 어느정도 쌓이게 되면 참조정도에 따라 Servivor의 빈 공간으로 이동되거나 회수된다.

 

2) Minor GC : Young Generation과 Tenured Generation 에서의 GC

Young Generation(Eden+Servivor) 영역이 차게 되면 또 참조정도에 따라 Old영역으로 이동 되게 되거나 회수된다.

 

3) Major GC : 'Stop-the-World'가 발생하고 Old영역의 메모리를 회수하는 GC

Old영역에 할당된 메모리가 허용치를 넘게 되면, Old 영역에 있는 모든 객체들을 검사하여 참조되지 않는 객체들을 한꺼번에 삭제하는 GC가 실행된다. 이때 GC를 실행하는 쓰레드를 제외한 모든 스레드는 작업을 멈추게 된다. 이를 'Stop-the-World' 라고 한다.

 

 

3️⃣스택 영역

지역변수, 파라미터, 리턴 값, 연산에 사용되는 임시 값 등이 생성되는 영역

 

 

4️⃣ PC 레지스터

Thread가 생성될 때마다 생성되는 영역으로 프로그램 카운터, 즉 현재 스레드가 실행되는 부분의 주소와 명령을 저장하고 있는 영역

 

 

5️⃣ 네이티브 메서드 스택 (Native Method Stack)

1. 자바 이외의 언어(C, C++, 어셈블리 등)로 작성된 네이티브 코드를 실행할 때 사용되는 메모리 영역으로 일반적인 C 스택을 사용

2. 자바 인터프리터 : 보통 C/C++ 등의 코드를 수행하기 위한 스택을 말하며, 자바 컴파일러에 의해 변환된 자바 바이트 코드를 읽고 해석하는 역할

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✅ 가비지 콜렉터 (Garbeage Collection)

자바의 메모리 관리 방법 중의 하나로 JVM의 Heap 영역에서 동적으로 할당했던 메모리 영역 중 필요 없게 된 메모리 영역을 주기적으로 삭제하는 프로세스

 

➡️ 가비지 컬렉션의 대상이 되는 객체들

객체들은 실질적으로 Heap영역에서 생성되고 Method Area이나 Stack Area등 Root Area에서는 Heap Area에 생성된 객체의 주소만 참조하는 형식으로 구성된다. 하지만 이렇게 생성된 Heap Area의 객체들이 메서드가 끝나는 등의 특정 이벤트들로 인하여 Heap Area 객체의 메모리 주소를 가지고 있는 참조 변수가 삭제되는 현상이 발생하면 Heap영역에서 어디서든 참조하고 있지 않은 객체들이 발생하게 된다. 이러한 객체들을 Unreachable하다고 하며 주기적으로 가비지 컬렉터가 제거한다.

 

Reachable : 객체가 참조되고 있는 상태
Unreachable  : 객체가 참조되고 있지 않은 상태 (GC의 대상이 됨) 

 

➡️ 장점

C나 C++에서는 이러한 가비지 컬렉션이 없어 프로그래머가 수동으로 메모리 할당과 해제를 일일이 해줘야 하는 반면, Java는 JVM의 가비지 컬렉터가 메모리 관리를 대행해주기 때문에 개발자 입장에서 메모리 관리, 메모리 누수 문제에서 대해 완벽하게 관리하지 않아도 되어 오롯이 개발에만 집중할 수 있다.

 

➡️ 단점

1. 개발자가 메모리가 언제 해제되는지 정확하게 알 수 없다.

2. 가비지 컬렉션이 동작하는 동안에는 JVM의 다른 동작을 멈추기 때문에 오버헤드가 발생한다.

GC가 너무 자주 실행되면 소프트웨어 성능 하락의 문제가 되기도 한다. 따라서 잠깐의 소프트웨어 일시정지로도 목표한 결과가 달라질 수 있기 때문에 GC의 사용이 적합하지 않다.

 

➡️ 가비지 컬렉션의 대상이 되는 객체들

1️⃣ 첫 번째 과정

객체가 처음 생성되고 Heap영역의 Eden에 age-bit 0으로 할당됩니다. 이 age-bit는 Minor GC에서 살아남을 때마다 1씩 증가한다.

 

2️⃣ 두 번째 과정

시간이 지나 Heap Area의 Eden 영역에 객체가 다 쌓이게 되면 Minor GC가 한번 일어나게 되고 참조 정도에 따라 Servivor0 영역으로 이동하거나 회수된다.

 

3️⃣ 세 번째 과정

계속해서 Eden영역에는 신규 객체들이 생성된다. 이렇게 또 Eden영역에 객체가 다 쌓이게 되면 Young Generation 영역에 있는 객체들을 비어있는 Survival인 Survival1 영역에 이동하고 살아남은 모든 객체들은 age가 1씩 증가한다.

 

4️⃣ 네 번째 과정

또다시 Eden 영역에 신규 객체들로 가득 차게 되면 다시한번 minor GC가 일어나고 Young Generation(Eden+Servivor) 영역에 있는 객체들을 비어있는 Survival인 Survival0으로 이동시킨 뒤 age를 1 증가시킨다. 이 과정을 계속해서 반복한다.

 

5️⃣ 다섯 번째 과정

이 과정을 반복하다 보면 age bit가 특정 숫자 이상으로 되는 경우가 발생한다. 이때 JVM에서 설정해놓은 age bit에 도달하게 되면 오랫동안 쓰일 객체라고 판단하고 Old generation 영역으로 이동시킨다. 이 과정을 프로모션(Promotion)이라고 한다.

 

6️⃣ 마지막 과정

시간이 지나 Old영역에 할당된 메모리가 허용치를 넘게 되면, Old 영역에 있는 모든 객체들을 검사하여 참조되지 않는 객체들을 한꺼번에 삭제하는 GC가 실행된다. Major GC는 시간이 오래 걸리는 작업이고 이때 GC를 실행하는 스레드를 제외한 모든 스레드는 작업을 멈추는 'Stop-the-World'가 발생한다.

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✅ JAVA의 실행방식

1️⃣ 소스 코드 작성

Java 소스 코드를 작성하며느 이 코드는 일반적으로 ".java" 확장자를 가진다.

 

2️⃣ 컴파일

소스 코드를 바이트 코드로 변환하는 작업을 컴파일이라고 한다. 이 작업은 javac라는 Java 컴파일러를 사용하여 수행된다. 이 단계에서 컴파일러는 소스 코드를 읽고 분석한 후, 바이트 코드로 변환하여 ".class" 확장자를 가진 클래스 파일을 생성한다.

 

3️⃣ 클래스 로딩

JVM은 클래스 파일을 로딩한다. 클래스 로더는 클래스 파일을 읽어들여 JVM이 이해할 수 있는 형태로 변환한다. JVM 내부에서는 애플리케이션을 실행하기 위해 Execution Engine이 필요한 클래스들을 Class Loader에 요청하고 Class Loader가 바이트코드의 .class에서 가져와 메모리에 올린다. (로컬 디스크에서 .class 파일을 가져올 수도 있지만 네트워크를 통해서 가져올 수 있다. - URLClassLoader)

 

4️⃣ 바이트 코드 검증

가져오는 클래스들의 바이트 코드들이 이상이 없는지, 자바의 보안 규칙을 위배하지 않는지 검사를 한다. (자바는 네트워크를 통하여 전송된 자바 프로그램이 컴퓨터를 훼손시키는 것을 방지 하기 위해 엄격한 보안 규칙을 갖고있다.)

 

5️⃣ 실행

Execution Engine이 메모리에 올라온 바이트코드를 기계어로 번역하고 실행한다. 실행하면서 애플리케이션이 실행된다. 계속 이러한 동작을 하면서 애플리케이션이 동작한다.