JVM(Java Virtual Machine)

0. 들어가면서

JVM 메모리 구조에 대해서 설명해주세요.
JVM GC 동작 방법에 대해서 설명해주세요.
JVM GC 옵션에 대해서 설명해주세요

Java를 사용하면 면접에서 반드시 마주치는 질문입니다. Java 가상머신(JVM, Java Virtual Machine)에 대한 정리는 자주 시도했었지만, 매번 끝까지 작성하진 못 했습니다. 관련된 내용들을 읽다보면 방대한 자료와 어려운 내용에 압도 당해 중도에 포기하곤 했습니다. 큰 내용들을 쪼개고 쪼개어 JVM에 대한 넓고 얇은 지식들을 차곡차곡 정리해보겠습니다.

1. JVM(Java Virtual Machine)

Java 가상 머신이라고 불리는 소프트웨어로 Java 어플리케이션이 동작할 수 있는 환경을 제공합니다. JVM은 어플리케이션과 운영체제(OS, Operating System) 사이에서 중재자 역할을 수행합니다. JVM 덕분에 Java는 어느 운영체제 환경에서도 실행될 수 있고, ‘write once and run anywhere’이라는 별명을 얻게 되었습니다.

2. JVM 구성 요소

JVM 구상 요소는 크게 네 가지로 분류할 수 있습니다. 아래 구성 요소에 대해서 조금 더 자세히 다뤄보겠습니다.

• Class Loader
• Execution Engine
• Runtime Data Area
• Garbage Collector

Structure of JVM

https://jeong-pro.tistory.com/148

2.1. 클래스 로더(Class Loader)

.java 확장자 파일들은 Java 컴파일러(JAVAC)에 의해 .class 확장자 파일로 변환됩니다. .class 파일은 바이트 코드(byte code)로 작성되어 있습니다. 클래스 로더는 생성된 클래스 파일들을 JVM 메모리 영역인 Runtime Data Area으로 적재하는 역할을 수행합니다.

2.2. 실행 엔진(Execution Engine)

실행 엔진은 메모리에 적재된 클래스(바이트 코드)들을 기계어로 변경하여 명령어(instruction) 단위로 실행합니다. 바이트 코드를 운영체제에 맞게 해석해주는 역할을 수행합니다. 실행 엔진이 바이트 코드를 명령어 단위로 읽어서 수행하는데 크게 두 가지 방식이 사용됩니다.

• 인터프리터(Interpreter) - 한 줄씩 해석하고 실행
• JIT(Just In Time) - 바이트 코드를 운영체제에 맞는 기계어로 변경 후 실행

2.3. 실행 데이터 영역(Runtime Data Area)

운영체제로부터 할당 받은 메모리 영역입니다. JVM은 이 영역에 어플리케이션에서 사용하는 데이터들을 적재합니다. 실행 데이터 영역은 크게 5개의 영역으로 나눌 수 있습니다.

• 메소드 영역(Method Area 혹은 Static Area)
  • 클래스 멤버 변수의 이름, 데이터 타입, 접근 제어자 정보 같은 필드 정보 저장
  • 메소드 이름, 리턴 타입, 파라미터, 접근 제어자 정보 같은 메소드 정보 저장
  • Type(인터페이스, 클래스) 정보, 상수, static 변수, final class 변수 정보 저장
  • 모든 스레드가 공유 가능
• 힙 영역(Heap Area)
  • 런타임 시 동적으로 할당하여 사용하는 객체(new), 배열 저장
  • 메소드 영역에 로드된 클래스만 생성이 가능
  • 가비지 컬렉터가 관리하는 메모리 영역
  • 모든 스레드가 공유 가능
• 스택 영역(Stack Area)
  • 메소드 호출 시 생성되는 스레드 수행 정보(frame) 저장
  • 메소드 정보, 지역 변수, 매개 변수, 연산 중 발생하는 임시 데이터 저장
  • {} 로 사용할 수 있는 영역을 지정
  • 각 스레드 별로 소유
• PC register
  • 현재 실행 중인 JVM 주소 정보를 저장
  • 수행해야하는 CPU 명령어(instruction) 위치 정보를 저장
  • 각 스레드 별로 소유
• Native Method Stack
  • Java 외 언어로 작성된 네이티브 코드를 위한 메모리
  • C/C++ 등의 코드를 수행하기 위한 스택(Stack)
  • 네이티브 메소드(native method)의 매개변수, 지역변수 등을 바이트 코드로 저장
  • 각 스레드 별로 소유

가비지 컬렉터(gc, garbage collector)의 동작 방식을 정확하게 이해하려면 힙 메모리 영역의 구조를 알아야 합니다. 힙 영역은 데이터 생성 시간에 따라 메모리를 관리할 수 있도록 5개의 영역으로 구분되어 있습니다.

• Eden
  • new 키워드를 통해 객체가 생성되는 최초의 영역
  • Young Generation
  • Minor GC 수행
• Survivor1, Survivor2
  • Eden 영역에서 GC 대상이 아닌 객체들을 전달받아 저장하는 영역
  • Young Generation
  • Minor GC 수행 영역
• Old
  • Young Generation 영역에서 GC 대상이 아니라 살아남은 객체들이 이동하는 영역
  • Major GC 수행 영역
• Permanent
  • 클래스 로더에 의해 적재된 클래스들의 정보를 저장
  • JDK1.8부터는 Metaspace

Structure of Runtime Data Area

자바와 JVM 메모리 구조

2.4. 가비지 컬렉터(Garbage Collector)

힙 메모리 영역에 생성된 객체들 중에 참조되지 않은 객체들을 탐색 후 제거하는 역할을 수행합니다. 가비지 컬렉터 동작 시 JVM 어플리케이션 실행이 멈추게 되는데 이를 STOP-THE-WORLD 라고 표현합니다. 시스템 동작이 멈추는 작업이기 때문에 굉장히 비용이 큰 작업입니다. 개발자는 STOP-THE-WORLD 시간을 줄이기 위해 가비지 컬렉션의 동작 방식과 알고리즘에 관련한 공부가 필요합니다.

2.4.1. 가비지 컬렉션 방식

• Major Garbage Collection
  • Old, Perm 메모리 영역에서 발생하는 GC
• Minor Garbage Collection
  • Young 메모리 영역에서 발생하는 GC
• Full Garbage Collection
  • 메모리 전체를 대상으로 수행하는 GC

2.4.2. 가비지 컬렉터 종류

• Serial Garbage Collector
• Parallel Garbage Collector
• CMS Garbage Collector
• G1 Garbage Collector(JDK7)
• Epsilon Garbage Collector(JDK11)
• Z garbage collector(JDK11)
• Shenandoah Garbage Collector(JDK12)

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• JVM 실행 엔진(Execution Engine)

REFERENCE

• JVM 이란?
• 자바와 JVM 메모리 구조
• https://d2.naver.com/helloworld/1230
• https://d2.naver.com/helloworld/1329
• https://en.wikipedia.org/wiki/Java_virtual_machine
• https://jeong-pro.tistory.com/148
• https://asfirstalways.tistory.com/158