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jvm.md

File metadata and controls

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Java Virtual Machine

JVM, 자바 가상 머신은 자바 어플리케이션을 클래스 로더로 읽어들여 자바 API로 실행시킨다. JVM은 Java와 OS 사이의 중재자 역할을 하며, Java가 OS에 상관없이 동작할 수 있도록 해준다. 스택 기반의 가상머신이며, 메모리 관리(Garbage Collection)를 수행한다.

  • 주요 키워드 : Class Loader, Execution Engine, JIT, GC, Runtime Data Area, Heap, JNI

JVM 구조

JVM은 크게 Class Loader, Execution Engine, Runtime Data Area, Java Native Interface 로 구성된다.

jvm_architecture

Class Loader

Java compiler에 의해 .class 파일(바이트코드)이 생성되면 Class loader가 파일을 읽어 Runtime Data Area 메모리에 적재한다.

Execution Engine

Runtime Data Area 메모리에 적재된 클래스들을 실행 가능한 기계어로 변환 및 실행한다. 명령어를 하나 하나 실행하는 인터프리터 방식과 반복적으로 사용되는 코드를 캐싱하여 사용하는 JIT 컴파일러 방식이 있다.

  • Interpreter : 바이트코드를 명령어 단위로 읽어서 실행한다. 한 줄씩 실행하므로 느리다
  • JIT Compiler (Just-In-Time) : 인터프리터의 단점을 보완하기 위해 반복 사용되는 코드들은 캐싱하여 속도를 높인다.
  • Garbage Collector (GC) : Heap 메모리에서 사용되지 않는 객체를 제거한다. Heap에만 있고 Stack에서 참조할 수 없는 객체를 제거한다.

Runtime Data Area

  • Method Area : 클래스 멤버 변수, 메소드 정보, 클래스 타입 정보, static/final 변수 등이 생성된다
  • Heap Area : 동적으로 생성된 객체, 배열이 저장되는 곳으로 GC 대상이 되는 곳
  • Stack Area : 변수, 객체 등은 실제 객체가 Heap에 저장되고 레퍼런스만 Stack에 저장된다. Stack은 스레드별로 할당된다
  • PC Register : 실행 중인 스레드의 주소와 명령을 저장한다
  • Native Method Stack : 자바 외 언어로 작성된 네이티브 코드를 저장하는 메모리 영역

Java Native Interface (JNI)

자바 네이티브 인터페이스(Java Native Interface, JNI)는 자바 가상 머신(JVM)위에서 실행되고 있는 자바코드가 네이티브 응용 프로그램(하드웨어와 운영 체제 플랫폼에 종속된 프로그램들) 그리고 C, C++ 그리고 어샘블리 같은 다른 언어들로 작성된 라이브러리들을 호출하거나 반대로 호출되는 것을 가능하게 하는 프로그래밍 프레임워크이다.

자바 프로그램 수행 과정

  1. 프로그램이 실행되면 JVM은 OS로부터 메모리를 할당 받는다. JVM은 이 메모리를 용도에 따라 나누어 관리한다.
  2. 자바 컴파일러(javac)가 소스코드(.java)를 읽어들여 바이트코드(.class)로 변환시킨다.
  3. 바이트코드(.class)는 Class Loader에 의해 JVM으로 로딩된다.
  4. 로딩된 바이트코드(.class)는 Execution Engine을 통해 해석된다.
  5. 해석된 바이트코드(.class)는 Runtime Data Area에 배치되어 실질적으로 수행된다.

JIT Compiler

JIT 컴파일(just-in-time compilation) 또는 동적 번역(dynamic translation)은 프로그램을 실제 실행하는 시점에 기계어로 번역하는 컴파일 기법이다.

전통적인 입장에서 컴퓨터 프로그램을 만드는 방법은 두 가지가 있는데, 인터프리트 방식과 정적 컴파일 방식으로 나눌 수 있다. 이 중 인터프리트 방식은 실행 중 프로그래밍 언어를 읽어가면서 해당 기능에 대응하는 기계어 코드를 실행하며, 반면 정적 컴파일은 실행하기 전에 프로그램 코드를 기계어로 번역한다.

JIT 컴파일러는 두 가지의 방식을 혼합한 방식으로 생각할 수 있는데, 실행 시점에서 인터프리트 방식으로 기계어 코드를 생성하면서 그 코드를 캐싱하여, 같은 함수가 여러 번 불릴 때 매번 기계어 코드를 생성하는 것을 방지한다.

최근의 자바 가상 머신과 .NET, V8(node.js)에서는 JIT 컴파일을 지원한다. 즉, 자바 컴파일러가 자바 프로그램 코드를 바이트코드로 변환한 다음, 실제 바이트코드를 실행하는 시점에서 자바 가상 머신이 바이트코드를 JIT 컴파일을 통해 기계어로 변환한다.

핵심: class 파일로 컴파일된 바이트코드는 인터프리터에 의해 기계어 코드로 변환되어 실행되고, JIT 컴파일러는 반복적으로 사용되는 코드들에 대해서 매번 인터프리터에 의해 기계어로 변환되지 않고 바로 사용할 수 있도록 캐싱하여 수행시간에 최적화를 제공한다.

Java Heap Memory

JVM-memory-structure2

Generation GCs

메모리에 올라가는 객체들은 대부분 짧은 기간 동안만 살아있다가 제거되며, 일부는 오래 생존하다가 제거된다. 이러한 두 가지 유형의 객체들을 효율적으로 GC 처리하기 위해 HotSpot VM에서는 메모리를 Youn/Old 두 개의 물리적인 공간으로 나누었다. 이를 Generational GC 방식의 운영이라 한다.

Young Generation

새롭게 생성된 객체들이 위치하는 곳이다. Eden 영역 1개와 Survivor 영역 2개로 구성된다. Eden 영역이 꽉 차면 객체 참조 여부에 따라 Survivor 영역으로 옮기며 이 때 발생하는 GC를 Minor GC라 한다.

  • Eden : 객체가 heap 상에서 최초로 할당되는 곳으로 이 곳이 꽉 차면 객체를 Survivor로 보낸다.
  • Survivor1, Survivor2 : 두 곳 중 하나는 비어있는 상태를 유지한다. Minor GC가 수행되면 Eden, Survivor(from)의 참조 객체를 비어있는 Survivor(to)로 옮기고 Eden, Survivor(from)를 clear한다. 오래 생존한 객체는 Old Generation으로 넘긴다.

Old Generation

Young 영역에서 계속 살아 남은 객체가 복사되는 영역이다. Young 영역보가 크게 할당되고, Major GC가 이뤄진다.

Perm

코드가 올라가는 영역으로 일정한 수준을 유지한다. Young/Old의 객체가 Perm으로 옮겨지지는 않는다.

Garbage Collection

malloc으로 메모리를 해제해야하는 C 언어와는 달리, Java 애플리케이션에서는 코드 상에서 명시적으로 메모리를 직접 해제하지 않는다. JVM의 Garbage Collector가 사용되지 않는 인스턴스를 찾아 메모리에서 제거해주기 때문이다.

Stop-the-world

Garbage Collection(GC)가 수행되면 GC thread를 제외한 모든 thread를 멈춰야 한다. 이를 stop-the-world라 한다. 성능 개선을 위한 GC 튜닝은 stop-the-world의 시간을 단축하는 것을 목표로 한다.

Minor GC

  • Young generation의 Eden 영역이 가득차면 발생한다.
  • Eden, Survivor(from) 영역을 비운다. 참조되는 객체는 비우기 전에 다른 Survivor(to)로 옮긴다.
  • Minor GC로도 stop-the-world가 발생할 수 있다.
  • 보통 1초 이내로 빠르고 효율적으로 수행된다

Major GC

  • Old generation에서 수행되는 GC
  • Young generation이 모두 꽉차면 가용 메모리 확보를 위해 Major GC가 수행된다

Full GC

  • Young, Old 전체 영역에 대한 GC
  • 속도가 매우 느리다
  • stop-the-world에 의해 Java 애플리케이션이 상대적으로 길게 멈추므로 성능과 안정성에 큰 영향을 준다

Reference