JVM 동작 방식 및 메모리 구조(1)

JVM 동작 방식

개발자가 소스 코드(.java) 파일을 작성하여 실행하면 Javac(Java Complier)에 의해 바이트 코드(.class)로 변환된다. 

💡 소스 코드를 바이트 코드로 변경하는 이유
1. 작성한 코드를 1차적으로 숨기기 위해
2. 컴파일 이후에는 문법 검사를 하지 않도록하여 시간을 단축하기 위해

위 방식은 소스 코드를 변경할 때마다 컴파일하고 실행 시켜야 하기 때문에 시간이 많이 걸린다는 단점을 가진다.

 

 

Javac에 의해 변환된 Class 파일은 lass Loader가 JVM의 메모리 영역(Runtime Data Area)으로 로딩시킨다.

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JVM의 메모리 영역(Runtime Data Area)

 

JVM의 메모리 영역는 자바 애플리케이션을 실행할 때 사용되는 데이터를 적재하는 영역으로 Runtime Data Area라고 부른다.

Runtime Data Area는 5개의 영역으로 나뉜다. 그 중 메서드, 힙 영역은 모든 스레드가 공유하는 영역이고, 그 외의 스택, PC Register, 네이티브 메서드 스택 영역은 스레드마다 하나씩 생성되는 개별 영역이다. 

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메서드(Static) 영역(Method Area)

• 모든 쓰레드가 공유하는 영역.
• JVM이 시작될 때 생성되는 공간으로 바이트 코드(.class)를 처음 메모리 공간에 올릴 때 초기화 되는 대상을 저장하기 위한 메모리 공간이다.
• JVM이 동작하고 클래스가 로드될 때 적재되어 프로그램이 종료될 때까지 저장된다. (단, 무분별한 사용은 메모리 부족 현상을 발생시킬 수 있으니 주의해야 한다.)
• JVM이 읽어들인 클래스, 인터페이스에 대한 런타임 상수 풀, 멤버(필드)변수, 클래스 변수(정적, static 변수), 상수, 생성자, 메서드 등을 저장한다.

💡런타임 상수 풀(Runtime Constant Pool)
- 메서드 영역에 존재하는 별도의 관리 영역으로 각 클래스/인터페이스 마다 별도의 상수풀 테이블이 존재하는데, 클래스 생성 시마다 참조해야 할 정보들을 상수로 가지고 있는 영역이다.
- JVM은 이 상수풀을 통해 해당 메서드나 필드의 실제 메모리 상 주소를 찾아 참조한다.
- 상수 자료형을 저장하여 참조하고 중복을 막는 역할을 수행한다.

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힙 영역(Heap Area)

• 모든 쓰레드가 공유하는 영역.
• JVM이 관리하는 프로그램 상에서 데이터를 저장하기 위해 런타임 시 동적으로 할당하여 사용하는 영역.
• new 연산자를 통해 생성된 클래스와 인스턴스 변수, 배열 타입 등 참조형 타입의 데이터(객체, 배열)가 저장되는 영역.
• 저장된 객체가 소멸되기 전이나 가비지 컬렉터(GC, Garbage Collector)가 정리하기 전까지는 해당 영역에 남아 있다.
• 가비지 컬렉션에 대상이 되는 영역.

💡 가비지 컬렉터(GC, Garbage Collector)
- 힙 영역에서 사용되지 않는 객체들을 자동으로 탐지하여 제거하고 메모리를 회수하는 역할을 한다.

💡 힙 영역에 저장된 객체와 배열은 참조형 타입으로 JVM 스택 영역의 변수나 다른 객체의 필드에서 참조된다.

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스택 영역(Stack Area)

• 기본 자료형(int, char, boolean 등)에 해당되는 지역, 매개 변수를 생성할 때 저장하는 영역으로 임시적으로 사용되는 변수나 정보들이 저장된다.
• 선입후출의 구조를 가진다.
• 메서드 호출 시마다 각각의 스택 프레임이 생성되어 메서드 안에서 사용되는 값들을 저장한다. 호출된 메서드의 매개변수, 지역변수, 리턴 값 및 연산 시 일어나는 값들을 임시로 저장한다. 해당 메서드의 호출이 종료되면 프레임별로 삭제된다.
• 각 스레드마다 하나씩 존재하며, 스레드가 시작될 때 할당된다.
• 프로세스가 메모리에 로드될 때 스택의 사이즈가 고정되어 있어, 런타임 시에는 사이즈를 변경할 수 없다. 만약 실행 중 메모리 크기가 충분하지 않다면 StackOverFlowError가 발생한다.
• 스레드가 종료하면 사라진다.

💡 스택 프레임(Stack Frame)
메서드가 호출될 때마다 생성되며, 현재 실행 중인 메서드의 상태 정보를 저장한다.

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💡유의할 점

객체를 생성하면 new 연산자에 의해 생성된 클래스(실질적인 데이터)는 힙 영역에 저장되고, 스택 영역에는 생성된 객체의 참조(객체의 주소)만 저장된다.

즉, 스택이 가지고 있는 해당 객체를 통해서만 힙 영역에 있는 인스턴스를 사용할 수 있다.

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PC 레지스터 영역(PC Register Area)

• 스레드가 시작될 때 생성되며 현재 수행중인 JVM의 명령어 주소를 저장하는 영역.
• JVM의 명령어 주소는 스레드가 어떤 부분을 어떤 명령어로 수행할 지에 대한 내용을 가진다.

현재 작업하는 내용을 CPU에게 연산으로 제공해야 하며, 이를 위한 버퍼 공간을 PC Register라고 한다.

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네이티브 메서드 스택(Native Method Stack)

• Java가 아닌 다른 언어로 작성된 네이티브 코드를 실행하기 위한 영역.
• 컴파일러에 의해 생성되는 바이트 코드가 아닌 실제 실행할 수 있는 기계어로 작성된 프로그램을 실행시키는 영역
• JNI(Java Native Interface)를 통해 호출하는 C/C++ 등의 코드를 수행하기 위한 공간 

 

 

Reference.

https://youtu.be/AWXPnMDZ9I0?si=WmISM8s7cm8fXZO

https://inpa.tistory.com/entry/JAVA-%E2%98%95-JVM-%EB%82%B4%EB%B6%80-%EA%B5%AC%EC%A1%B0-%EB%A9%94%EB%AA%A8%EB%A6%AC-%EC%98%81%EC%97%AD-%EC%8B%AC%ED%99%94%ED%8E%B8