JVM 구조 및 메모리

JVM 관련해서 까먹고 자주 찾는 것 같아 기록을 해둔다.

[그림 1] JVM 구조

JVM 구조에 대해 자세히 알기 위해선 위 그림 1의 구조를 알고 있어야 한다.

1. Class Loader

Java의 컴파일러가 자바의 소스코드(.java 파일)를 빌드하면 바이트코드 파일(.class 파일)이 생성된다. 각 운영체제의 JVM의 Class Loader가 이 바이트코드 파일을 Runtime Data Areas에 로딩하여 프로그램을 구동한다.

Class Loader의 로딩은 런타임에 일어나는데, 클래스에 처음 접근될 때 일어난다. 이를 이용해 Lazy Loading Singleton 같은 것들을 구현하기도 한다. 참고로 Class Loading 시간엔 thread-safe하다.

2. Execution Engine

Class Loader가 Runtime Data Areas에 불러온 바이트코드를 실행한다. 바이트코드를 실행할 때 기계어로 변경해 명령어 단위로 실행하는데, 1바이트의 OpCode와 피연산자로 구성된다.
Execution Engine은 2가지 방식으로 명령어를 실행한다.

* Interpreter: 명령을 순차적으로 읽으며 실행한다. 파일 이름을 인자로 받으며, main 함수를 포함해야한다. 컴파일된 .class 파일을 다음과 같이 실행할 수 있다.

java [file_name_without_extension]

* JIT (Just In Time) Compiler: Interpreter의 느린 단점을 없애고자 나온 컴파일러이다. JIT Compiler는 유사한 바이트코드를 매번 다시 컴파일하지 않고, 캐싱해둬서 컴파일에 필요한 총 시간을 단축한다. 
Oracle은 Hotspot Compiler라는 컴파일러를 사용하는데, 프로파일링을 통해 가장 우선순위가 높은 부분(hotspot)을 찾아 네이티브 코드로 컴파일한다. 컴파일된 메소드의 바이트코드가 더 이상 필요하지 않다고 판단되면 Hotspot Virtual Machine은 캐시에서 네이티브 코드를 삭제하고 Interpreter 모드에서 실행한다.

3. Garbage Collector

Heap 영역에서 참조되지 않는 오브젝트를 제거하는 역할을 한다. JVM의 Garbage Collector에 대한 설명은 다음 글에 작성할 예정이다.

4. Runtime Data Areas

OS로부터 할당받은 JVM의 메모리 영역이다. 자바 애플리케이션을 실행하는데 필요한 데이터를 담는다. Runtime Data Areas는 그림 1처럼 5개의 영역으로 나뉜다.

* Method Area

Class Loader가 적재한 클래스(또는 인터페이스)에 대한 메타데이터 정보가 저장된다. Non-Heap 영역으로 Permanent 영역에 저장된다. JVM 옵션 중 PermSize (Permanent Generation의 크기)를 지정할 때 고려해야 할 요소이다. Method Area는 아래의 정보들을 저장한다.

1) Type Information

- Interface 여부

- 패키지 명을 포함한 Type 이름

- Type의 접근 제어자

- 연관된 Interface 리스트

2) Runtime Constant Pool

- Type, Field, Method로의 모든 레퍼런스를 저장

- JVM은 Runtime Constant Pool을 통해 실제 메모리 상 주소를 찾아 참조한다.

3) Field Information

- Field의 타입

- Field의 접근 제어자

4) Method Information

- Constructor를 포함한 모든 Method의 메타데이터를 저장

- Method의 이름, 파라미터 수와 타입, 리턴 타입, 접근 제어자, 바이트 코드, 지역 변수 section의 크기 등을 저장

5) Class Variable

- static 키워드로 선언된 변수를 저장

- 기본형이 아닌 static 변수의 실제 인스턴스는 Heap 메모리에 저장

* Heap Area

new 연산자로 생성된 객체를 저장하는 공간이다. 참조하는 변수나 필드가 존재하지 않으면 GC의 대상이 된다.

* Stack Area

Thread마다 별개의 Frame으로 저장하며, 아래의 정보들을 저장한다. 

1) Local Variable Area

- 지역변수, 매개변수, 메소드를 호출한 주소 등 Method 수행 중 발생하는 임시데이터를 저장한다. 

- 4바이트 단위로 저장되며, int, float 등 4바이트 기본형은 1개의 셀, double 등 8바이트의 기본형은 2개의 셀을 차지한다. bool은 보통 1개의 셀을 차지한다.

2) Operand Stack

- Method의 workspace이다. 어떤 명령을 어떤 피연산자로 수행할 지 나타낸다.

3) Frame Data

- Constant Pool Resolution, Method Return, Exception Dispatch 등을 포함한다. 또한 참조된 Exception의 테이블도 가지고 있다. Exception이 발생하면 JVM은 이 테이블을 참고하여 어떻게 Exception을 처리할 지 정한다.

* PC Register

Thread가 현재 실행하고 있는 부분의 주소를 저장한다. OS는 PC(Program Counter) Register를 참고하여 CPU 스케줄링 시 해당 Thread가 다음에 어떤 명령어를 수행해야 하는지 알 수 있다.

* Native Method Stack

자바 외 언어(C/ C++ 등)로 작성된 네이티브 코드를 위한 메모리 영역이다. 

Runtime Data Area의 위 5가지 영역 중 1, 2 번은 모든 Thread가 공유하는 영역이고, 3, 4, 5 번은 Thread 마다 각각 존재하는 영역이다. 이를 그림으로 표현하면 아래 그림 2와 같다. 

[그림 2] Thread 별 메모리 구조

* 참고

JVM 구조 및 메모리

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

https://www.holaxprogramming.com/2013/07/16/java-jvm-runtime-data-area/

JVM Stack

https://www.quora.com/What-is-a-JVM-stack