JVM

📌JVM

JVM은 Java를 실행하기 위한 가상 컴퓨터이다. Java는 OS에 종속되지 않는다는 특징을 가지고 있기 때문에, OS와 독립적으로 실행될 수 있도록 도와주는 JVM이 필요하다. 

Java 소스코드(*.java)는 CPU가 인식하지 못하므로 기계어로 컴파일 해주어야 하며, Java Compiler를 통해 .java가 .class라는 Java bytecode로 변환되고 JVM을 통해 최종적으로 운영체제에 맞는 기계어로 변환되어 실행된다. 이때, Java Compiler란 JDK를 설치하면 bin에 존재하는 javac.exe를 말하며 javac 명령어를 통해 .java를 .class로 컴파일 할 수 있다.

 

 

특징

1. 컴파일된 바이트 코드를 기계가 이해할 수 있는 기계어로 변환

2. 스택 기반의 가상 머신

3. 메모리 관리와 Garbage Collection(GC)를 수행한다.

 

구조

 

JVM 구조는 크게 Class Loader, Runtime data areas, Execution Engine, GC로 구분된다. 

구분	역할
Class Loader	클래스 파일을 Runtime Data Area의 메서드 영역으로 불러오는 역할을 한다.
Execution Engine	Execution Engine은 .class 파일과 같은 Java bytecode들을 실행가능하게 만들어준다.
GC	메모리 관리 기법 중 하나로, Heap 영역에 배치된 객체들을 관리하는 모듈이다.
Runtime Data Area	런타임시 클래스 데이터와 같은 메타 데이터와 실제 데이터가 저장되는 곳이다.

*Java는 멀티스레드 환경으로 모든 스레드는 Heap과 Method Area를 공유한다.

 

Garbage Collection

Java나 Kotlin의 경우에는 JVM의 가비지 컬렉터가 불필요한 메모리를 알아서 정리해준다. JVM의 Heap 영역은 다음의 2가지 전제를 바탕으로 설계되었다.

- 대부분의 객체는 금방 접근 불가능한 상태가 된다. (Unreachable)

- 오래된 객체에서 새로운 객체로의 참조는 아주 적게 존재한다.

즉, 객체는 대부분 일회성이며, 메모리에 오랫동안 남아있는 경우는 드물다는 것이다.

 

*Young 영역(Young Generation)

- 새롭게 생성된 객체가 할당(Allocation)되는 영역

- 대부분의 객체가 금방 Unreachable 상태가 되기 때문에, 많은 객체게 Young Generation에 생겼다가 사라진다.

- Young Generation에 대한 GC를 Minor GC라고 부른다.

 

*Old 영역(Old Generation)

- Young 영역에서 Reachable 상태를 유지하여 살아남은 객체가 복사되는 영역

- Young 영역보다 크게 할당되며, 영역의 크기가 큰 만큼 가비지는 적게 발생한다.

- Old Generation에 대한 GC를 Major GC라고 부른다.

 

Card 테이블에는 Old 영역에 있는 객체가 Young 영역의 객체를 참조할 때마다 그에 대한 정보가 표시된다. 카드 테이블이 도입된 이유는 간단하다. Young 영역에서 가비지 컬렉션(Minor GC)가 실행될 때 Old 영역에 있는 객체를 검사하여 Young 영역의 객체를 식별하는 것이 비효율적이기 때문이다. 그렇기 때문에 카비지 컬렉션이 진행할 때 카드 테이블만 조회하여 GC의 대상인지 식별할 수 있도록 하고 있다.

 

Minor GC 동작 방식

Young 영역은 1개의 Eden 영역과 2개의 Survivor 영역, 총 3가지로 구분된다.

- Eden 영역: 새로 생성된 객체가 할당(Allocation)되는 영역

- Survivor 영역: 최소 1번의 GC 이상 살아남은 객체가 존재하는 영역

 

객체가 새롭게 생성되면 Young 영역 중에서도 Eden 영역에 할당(Allocation)된다. 그리고 Eden 영역이 꽉차면 Minor GC가 발생하게 되는데, 사용하지 않는 메모리는 해제되고 Eden 영역에 존재하는 객체는 사용중인 Survivor 영역으로 옮겨지게 된다. Survivor 영역은 총 2개이지만 반드시 1개의 영역에만 데이터가 존재해야 한다.

 

1) 새로 생성된 객체가 Eden 영역에 할당된다.
2) 객체가 계속 생성되어 Eden 영역이 꽉차게 되고 Minor GC가 실행된다.
    2-1) Eden 영역에서 사용되지 않는 객체의 메모리가 해제된다.
    2-2) Eden 영역에서 살아남은 객체는 1개의 Survivor 영역으로 이동된다.
3) 1~2번의 과정이 반복되다가 Survivor 영역이 가득 차게 되면 Survivor 영역의 살아남은 객체를 다른 Survivor 영역으로 이동시킨다.(1개의 Survivor 영역은 반드시 빈 상태가 된다.)
4)이러한 과정을 반복하여 계속해서 살아남은 객체는 Old 영역으로 이동(Promotion)된다

 

Major GC 동작 방식

Young 영역에서 오래 살아남은 객체는 Old 영역으로 Promotion된다. 그리고 Major GC는 객체들이 계속 Promotion되어 Old 영역의 메모리가 부족해지면 발생하게 된다. Young 영역은 일반적으로 Old 영역보다 크기게 작기 때문에 GC가 보통 0.5초에서 1초 사이에 끝난다. 그렇기 때문에 Minor GC는 애플리케이션에 크게 영향을 주지 않는다. 하지만 Old 영역은 Young 영역보다 크며 Young 영역을 참조할 수도 있다. 그렇기 때문에 Major GC는 일반적으로 Minor GC보다 오래 걸리며, 10배 이상의 시간을 사용한다.

 

참고

https://mangkyu.tistory.com/118

https://backendcode.tistory.com/161

https://asfirstalways.tistory.com/158