JVM

C언어에 이어 JVM이 어떻게 동작하는지 알아보겠습니다. (참고)

Java Virtual Machine(JVM)은 추상 컴퓨팅 머신입니다. 실제 컴퓨팅 머신과 마친가지로 명령어 집합을 가지고 있고, 런타임에 메모리 영역을 조작합니다.

To implement the Java Virtual Machine correctly, you need only be able to read the class file format and correctly perform the operations specified therein.

The Java® Virtual Machine Specification - Chapter 2

Overview

1. 사용자가 java -jar 명령을 실행하면 JVM은 OS로부터 메모리를 할당받습니다.
2. Class Loader는 JAR 파일 내 META-INF/MANIFEST.MF에서 Main-Class 속성을 찾습니다.
3. Class Loader는 Main-Class와 의존성 클래스를 Method Area에 로드합니다.
4. Execution Engine은 PC Register를 main()의 첫 번째 바이트코드 명령어 주소로 설정합니다.
5. Execution Engine은 Stack에 main()을 위한 Frame을 할당하고 변수를 초기화합니다.
6. Execution Engine의 구성 요소인,
   • Interpreter는 main()의 첫 번째 바이트코드 명령부터 한 줄 씩 기계어로 해석합니 다.
   • JIT는 반복되는 메서드(루프 등)를 감지하고 최적화된 기계어로 해석하여 Method Area에 캐싱합니다.
   • GC는 JVM이 적절할 때 실행하여 Heap 영역의 미참조 객체를 정리합니다.
7. Native Method Interface(JNI) 는 C/C++/Assembly를 실행해 저수준 작업(ex. File I/O) 등을 지원합니다.

Run-Time Data Area

OS로 부터 할당받은 JVM의 메모리 영역으로, 자바 애플리케이션이 실행하는 동안 데이터를 저장하고 관리하는 영역입니다.

Method Area

C언어의 코드 영역에 대응하는, 메타데이터와 바이트 코드(명령어)를 저장하는 데이터 영역입니다. (당연하게도) Method Area의 모든 정보는 클래스별로 관리됩니다.

• 클래스 메타데이터: 클래스명, 부모 클래스 정보, 접근 제어자, 필드(멤버 변수)와 메서드의 이름·타입·시그니처.
• 바이트코드: 컴파일된 메서드의 실행 코드.
• 정적 변수: static으로 선언된 변수.
• Runtime Constant Pool
  • C언어와 달리 Java는 런타임에 동적으로 클래스를 로드할 수 있습니다. 그래서 컴파일할 때는 메소드의 실제 메모리 주소를 알 수 없어요. 코드를 실행해봐야만 알 수 있어요.
  • 그래서 메서드를 컴파일 때는 실제 메모리 주소 대신 symbolic reference를 저장합니다. (에, java/lang/Object)
  • Runtime Constant Pool은 런타임 중에 symbolic reference를 실제 메모리 주소에 매핑하는 테이블입니다.

Heap

(Source)

C언어의 Heap 영역과 비슷하게 객체 인스턴스와 배열을 저장하는 데이터 영역입니다. new 연산자로 생성된 객체와 배열의 실제 데이터는 모두 여기에 저장합니다. Heap에 생성된 객체와 배열의 주소는 스택에 저장해 사용합니다.

• Young Generation: 생명 주기가 짧은 객체
• Old Generation: 생명 주기가 긴 객체
• Permananet Generation: Deprecated, Metaspace로 변경¹

내부 동작

1. 객체를 생성하면 일단 Eden에 저장합니다.
2. Eden이 가득차면 Minor GC를 실행한다.
   1. Eden과 Survivor에서 참조되지 않는 객체를 삭제합니다.
   2. Eden의 객체와 Survivor 1의 객체를 합쳐 Survivor 2로 옮깁니다.²³ (한 번에 하나의 Survivor 영역을 번갈아가며 사용)
3. Minor GC에서 오래 살아남은 객체는 Old Generation으로 옮겨진다. 여기서 ‘오래’란?
   • 객체가 Minor GC에서 살아남은 횟수가 MaxTenuringThreshold 이상이거나
   • Survivor 영역의 메모리가 부족할 경우
4. Old Generation이 가득차면 Major GC를 실행한다.

Thread

자바의 Thread는 실제 작업을 수행하는 최소 단위입니다.

• PC Register: 각 스레드에서 현재 실행중인 명령어 주소
• Native Method Stack: Java로 작성되지 않은 코드를 실행할 때 사용하는 스택 (JNI에서 사용)
• Java Virtual Machine Stack: 지역 변수, 리턴 값 등을 저장하는 스택입니다. Frame 단위로 저장합니다.

Frame

Frame(Stack Frame)은 메서드 실행에 필요한 정보(지역 변수, 연산값, 리턴값 등)를 담은 메모리 블록입니다. 메서드가 실행될 때 생성하고, 메서드를 종료할 때 스택에서 제거합니다. 하나의 스레드에서 한 번에 하나의 프레임만 활성화할 수 있습니다.

Stack Frame의 구조

• 지역 변수
• Operand Stack: 연산 수행을 위해 값을 임시로 저장하는 스택,
• Dynamic Links: 실행중인 메서드를 참조하기 위한 Runtime Constant Pool의 메모리 주소
• Return Address: 메서드 끝나고 복귀할 바이트코드 명령어의 위치(offset)
• Extra Information

메서드 종료 흐름

• Normal Method Invocation Completion: 메서드를 정상 종료하는 상황
  • 호출자 프레임의 operand stack에 반환값을 저장합니다.
• Abrupt Method Invocation Completion: 예외가 발생한 상황
  • 호출자 프레임에 예외 객체를 저장합니다.

참조

• Permanent Generation 영역은 힙일까 아닐까?

Footnotes

1. Metaspace는 Method Area (JVM 스팩)을 구현하기 위해 실제 메모리가 할당된 영역을 의미한다. Non-heap이라고도 부른다. 그림은 모두 Heap이었던 시절의 그림으로 보인다. ↩

2. Survivor 1과 2를 번갈아가며 사용하는 이유는? 메모리 파편화 없이 살아남은 객체만 연속적으로 복사하기 위해서 ↩

3. GC를 하면 객체의 메모리 주소가 바뀌지 않나요?​​ ↩