[CS/JAVA] 자바가상머신 (JVM) 구조 및 컴파일 과정

JVM

Java Virtual Machine 의 약자로,
OS에 종속받지 않고 CPU 가 Java를 인식, 실행할 수 있게 하는 가상 컴퓨터이다.

JVM은 JRE에 포함되어있으며 스택기반의 가상머신, 포인터를 지원하지만 C와 같이 주소값을 임의로 지정하거나 변경할 수 없다는 특징이 있다.

JVM의 기능은 크게 2가지이다.

자바 프로그램이 어느 기기나 운영체제 상에서도 실행될 수 있도록 하는 것
프로그램 메모리를 관리하고 최적화하는 것

JVM 구조

자바 컴파일러

자바 소스코드(.java)를 바이트 코드(.class)로 변환시켜준다.

 여기서 Java compiler는 JDK를 설치하면 bin 에 존재하는 javac.exe를 말한다.

클래스 로더

JVM은 런타임시에 처음으로 클래스를 참조할 때 해당 클래스를 로드하고 메모리 영역에 배치시킨다. 이 동적 로드를 담당하는 부분이 바로 클래스 로더이다.

예시로 jdbc에서 사용하는 Class.forName() 메소드도 클래스 로더를 이용해 해당 db드라이버를 로드한다. 이때 Class 클래스는 JVM에서 동작할 클래스들의 정보를 묘사하는 일종의 메타 클래스로, JVM은 이 Class 클래스를 통해 클래스들에 대한 정보를 로드한다.

Runtime Data Areas

JVM이 운영체제 위에서 실행되면서 할당받는 메모리 영역이며
PC 레지스터, JVM 스택, 네이티브 메서드 스택, 힙, 메서드 영역의 5가지 영역으로 나뉘어진다.

(힙과 메서드 영역은 모든 스레드가 공유해서 사용함)

PC 레지스터 : 스레드가 어떤 명령어로 실행되어야 할지 기록하는 부분(JVM 명령의 주소를 가짐)
스택 Area : 지역변수, 매개변수, 메서드 정보, 임시 데이터 등을 저장
네이티브 메서드 스택 : 실제 실행할 수 있는 기계어로 작성된 프로그램을 실행시키는 영역
힙 : 런타임에 동적으로 할당되는 데이터가 저장되는 영역. 객체나 배열 생성이 여기에 해당함 (가비지 컬렉터의 대상)
메서드 영역 : JVM이 시작될 때 생성되고, JVM이 읽은 각각의 클래스와 인터페이스에 대한 런타임 상수 풀, 필드 및 메서드 코드, 정적 변수, 메서드의 바이트 코드 등을 보관함

가비지 컬렉션(Garbage Collection)

자바 이전에는 프로그래머가 모든 프로그램 메모리를 관리했지만, 자바에서는 JVM이 가비지 컬렉션이라는 프로세스를 통해 메모리를 관리한다.
JVM은 가비지 컬렉션은 자바 프로그램에서 사용되지 않는 메모리를 지속적으로 찾아내서 제거하는 역할을 함.

참조되지 않은 객체들을 탐색 후 삭제 → 삭제된 객체의 메모리 반환 → 힙 메모리 재사용

자바 컴파일 과정

프로그램이 실행되면, JVM은 OS로부터 이 프로그램이 필요로하는 메모리를 할당받음. JVM은 이 메모리를 용도에 따라 여러 영역으로 나누어 관리함
자바 컴파일러(JAVAC)가 자바 소스코드를 읽고, 자바 바이트코드(.class)로 변환시킴
변경된 class 파일들을 클래스 로더를 통해 JVM 메모리 영역으로 로딩함
로딩된 class파일들은 실행엔진(Execution engine)을 통해 해석됨
해석된 바이트 코드는 메모리 영역에 배치되어 실질적인 수행이 이루어짐. 이러한 실행 과정 속 JVM은 필요에 따라 스레드 동기화나 가비지 컬렉션 같은 메모리 관리 작업을 수행함

참고

[JAVA] JVM이란? 개념 및 구조 (JDK, JRE, JIT, 가비지 콜렉터...)
[Java] 자바 가상 머신(Java Virtual Machine) -gyoogle
위키백과
[Java 궁금증] Class.forName()은 어떻게 동작할까?

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