[내배캠] 열아홉번째 회고록

Chapter 1. JVM 구조, 메모리와 코드의 흐름

 

1. 자바언어의 특징 4가지 

(1) 모든 운영체제에서 실행이 가능하다. 

(2) 객체 지향 프로그래밍이다. 

(3) 메모리 자동 정리가 가능하다 -> 가비지 컬렉터가 메모리 정리 해줌 

(4) 무료로 사용가능한 라이브러리가 풍부하다

 

2. JDK(Java Development ToolKits)란 무엇인가?

- 자바 개발 키트 

- JDK : Java Development ToolKits + JRE

- JDK는 개발자들이 JVM과 JRE에 의해 실행되고 구동될 수 있는 자바 프로그램을 생성할 수 있게 해준다. 

- JDK는 자바 기반 소프트웨어를 개발하기 위한 도구들로 이루어진 패키지

- 자바 프로그램을 구동하는 것이 자바 프로그램 개발의 일부분이기 때문에 JDK는 JRE를 필요로 한다. 

 

3. JRE(Java Runtime Environment)란 무엇인가??

- 자바 런타임 환경

- JRE : Java Runtime Environment + JVM

- JRE는 JVM을 생성하는 디스크 상위 부분이다. 

- 자바클래스 라이브러리와 자바클래스 로더, 자바 가상머신이 포함된다

 

 

🤷 왜 JVM을 알아야 하는가?

- 한정된 메모리를 효율적으로 사용하여 최고의 성능을 내기 위해서

- 메모리 효율성을 위해 메모리 구조를 알아야 하기 때문

- 동일한 기능의 프로그램이더라도 메모리 관리에 따라 성능이 좌우되기 마련

- 메모리 관리가 되지 않은 경우 속도 저하나 튕김 현상이 일어날 수 잇다. 

 

4. JVM(Java Virtual Machine)란 무엇인가??

- 자바 가상머신 

- JVM은 프로그램을 실행하는 자바 플랫폼 구성요소이다.

- 자바프로그램이 어느 기기, 어느 운영체제 상에서도 실행 될 수 있게 한다

- 시스템 메모리를 관리하면서 자바 기반 어플리케이션을 위해 이식 가능한 실행 환경을 제공한다. 

- 자바 어플리케이션을 클래스 로더를 통해 읽어 들여 자바 API와 함께 실행하는 것

- Java와 OS사이에서 중개자 역할을 수행하여 JAVA가 OS에 구애받지 않고 재사용을 가능하게 해준다. 

- 메모리 관리, 가비지 컬렉션을 수행한다. 

- JVM은 스택 기반의 가상 머신이다. 

 

4-2. JVM의 심층 분석!!

- 자바의 특징에 맞는 모든 운영체제에 종속받지 않고 실행되기 위해 OS 위에서 Java 를 실행시킬 무언가가 필요 => 그게 바로 "JVM"

- Java compiler 가 .java 파일을 .class 라는 Java bytecode로 변환한다.

- 변환된 ByteCode는 기계어가 아니기 때문에 OS에서 바로 실행되지 않는데 이때 JVM이 OS가 byteCode를 이해할 수 있도록 해석해준다. 

- 즉, Java파일 하나만 만들면 어느 디바이스에서든 JVM위에서 실행 할 수 있음

👉 JAVA Complier란??
- 기본적으로 javac.exe를 말한다. 
- JDK안에 Java Complier(javac.exe)가 포함되어 있음
- javac명령어를 통해 .java -> .class 파일로 컴파일 이루어짐
- C:\Program Files\Java\jdk-(버전명)\bin 에 위치하고 있음

But! ⭐ bin 디렉토리 안에 있지만 어떤 위치에서도 사용할 수 있도록  Path환경 변수에 경로를 추가해주어야 한다. 

⭐Path 환경변수 설정 시 %JAVA_HOME%\bin을 첫번째 세팅해주어야 한다
⭐Why?? Path 환경변수는 등록된 순서대로 명령어를 찾기 때문!! 
만약에  %JAVA_HOME%\bin보다 빠른 경로에 java명령어가 있다면 다른 버전의 java 명령어가 실행 될 수 있기 때문에 주의해야 한다. 
⭐ 환경변수가 제대로 설정되어 있는지 확인해보는 javac명령어(CMD에서 확인 가능)
=> C:\Users\User이름 > javac -version
❗ 만약 환경변수가 잘못 설정 되었을 경우 
=> '외부명령, 실행할 수 잇는 프로그램 또는 배치파일이 아닙니다.' 라는 메세지 출력 됨.

 

5. 바이트코드 파일

※ OS 상관없이 동일한 소스 파일을 javac로 컴파일하면 모두 동일한 바이트코드 파일이 생성됨.

※ JVM은 운영체제에서 이해하는 기계어로 번역해야 하기 때문에 운영체제 별로 설치하는 JVM이 다름

⭕ 소스파일을 명령프롬프트에서 실행하기 
1. 사용자 홈에서 디렉토리 경로로 이동한다. => cd 이동경로
2.자바파일 -> 클래스 파일로 컴파일 
명령어 > javac HelloWorld.java(파일명.java)
3. 클래스 파일을 실행시키기 
명령어 > java HelloWorld

🔥 cmd에서 바로 class파일 실행하기
C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_261\bin\test\Hello.class

※ 만약 패키지가 있는 .java파일을 실행하기 위해서는 javac 패키지명/HelloWordl.java(파일명.java) 해주면 되고  
클래스 파일을 실행 시키기 위해서는 cd C:\디렉토리 이름까지만 이동하고 Package가 포함된 경로까지 가지 않아도된다(패키지의 부모 경로까지만 이동)

⭕  패키지가 있는 .java파일 실행시킬 경우 
명령어 > java 패키지명.클래스파일명

 

6. Java 프로그램 실행 과정

- 프로그램이 실행되면 JVM은 OS로부터 이 프로그램이 필요로 하는 메모리를 할당받는다. 

- JVM은 메모리를 용도에 따라 여러 영역으로 나누어 관리한다. 

- 자바 컴파일러(javac)가 자바 소스코드(.java)를 읽어들여 자바 바이트코드(.class)로 변환한다. 

-  Class Loader를 통해 class파일들을 JVM으로 로딩한다. 

- 로딩된 Class파일들을 Execution engine을 통해 해석된다

- 해석된 바이트 코드는 Runtime Data Areas에 배치되어 실질적인 수행이 이루어지게 된다. 

※ 이러한 실행 과정 속에서 JVM은 필요에 따라 Thread Synchronization과 GC같은 관리 작업을 수행한다. 

 

7. JVM의 구성

(1). Class Loader(클래스로더)

- JVM내로 클래스(.class)파일을 로드하고 링크를 통해 배치하는 작업을 수행하는 모듈. Runtime시에 동적으로 클래스를 로드한다. jar파일 내 저장된 클래스들을 JVM위에 탑재하고 사용하지 않는 클래스들은 메모리에서 삭제한다. 

자바는 동적코드, 컴파일 타임이 아니라 런타임에 참조한다. 즉, 클래스를 처음으로 참조할 때 해당 클래스를 호드하고 링크한다는 것이다. 그 역할을 클래스 로더가 수행한다. 

 

(2). Execution Engine(실행엔진)

- 클래스를 실행시키는 역할이다. 클래스 로더가 JVM내의 런타임 데이터 영역에 바이트 코드를 배치시키고 이것은 실행 엔진에 의해 실행된다. 자바 바이트코드는 기계가 바로 수행할 수 있는 언어보다는 비교적 인간이 보기 편한 형태로 기술 된 것이다. 그래서 실행 엔진은 이와 같은 바이트코를 실제로 JVM내부에서 기계가 실행할 수 있는 형태로 변경한다. 이때 두가지 방식을 사용하게 된다. 

 

● 인터프리터 Interpreter

- 실행 엔진은 자바 바이트 코드를 명령어 단위로 읽어서 실행한다. 하지만 이 방식은 인터프리터 언어의 단점을 그대로 갖고 있다. 한줄 씩 수행하기 때문에 느리다는 것이다. 

● JIT(Just-In-Time)

-인터프리터 방식의 단점을 보완하기 위해 도입된 JIT컴파일러이다. 인터프리터 방식으로 실행하다가 적절한 시점에 바이트코드 전체를 컴파일하여 네이티브 코드로 변경하고 이후에는 더 이상 인터프린팅 하지 않으며 네이티브 코드로 직접 실행하는 방식이다. 

 

(3). Garbage Collector

- GC를 수행하는 모듈(스레드)이 있다.

 

8. Runtime Data Area

- 프로그램을 수행하기 위해 OS에서 할당받은 메모리 공간

 

1. PC Register

- 스레드가 시작될 때 생성되며 생성될 때마다 생성되는 공간이며 스레드마다 하나씩 존재

- 스레드가 어떤 부분을 어떤 명령으로 실행해야 하는지에 대한 기록을 하는 부분이며 현재 수행중인 JVM명령의 주소를 갖는다. 

 

2. JVM Stack(스택영역)

- 프로그램 실행과정에서 임시로 할당되었다가 메서드를 빠져나가면 바로 소멸되는 특성의 데이터를 저장하기 위한 영역

- 각종 형태의 변수나 임시 데이터, 스레드나 매서드의 정보를 저장한다. 

- 메서드 호출 시 마다 각각의 스택 프레임(그 메서드 만을 위한 공간)이 생성된다.

- 메서드 수행이 끝나면 프레임 별로 삭제한다

- 메서드 안에서 사용되는 값들을 저장하고 호출된 메서드의 매개변수, 지역변수, 리턴 값 및 연산시 일어나느 값들을 임시로 저장한다. 

 

3. Native Method Stack 

- 자바 프로그램이 컴팡ㄹ되어 생성되는 바이트 코드가 아닌 실제 실행할 수 잇느 ㄴ기계어로 작성된 프로그램을 실행시키는 영역이다

- java가 아닌 다른 언어로 작성된 코드를 위한 공간이다

- java Native Interface를 통해 바이트 코드로 전환하여 저장하게 된다. 

- 일반 프로그램처럼 커널이 스택을 잡아 독자적으로 프로그램을 실행시키는 영역이다.

 

4. Method Area(메서드 영역)

- 클래스 정보를 처음 메모리 공간에 올릴 떄 초기화되는 대상을 저장하기 위한 메모리 공간

- 올라가게 되는 메서드의 바이트 코드는 프로그램의 흐름을 구성하는 바이트코드이다. 

자바 프로그램은 main메서드의 호출부터 계속된 메서드의 호출로 흐름을 이어가기 떄문이다. 

- 이 공간에는 Runtime Constant Pool이라는 별도의 관리 영역도 존재하는데 이는 상수 자료형을 저장하여 참조하고 중복을 막는 역할을 수행

- 클래스 데이터를 위한 공간, GC의 관리 대상에 포함

 

* 올라가는 정보의 종류

1. Fielf Information : 멤버변수의 이름, 데이터 타입, 접근 제어자에 대한 정보

2. Method Information : 메서드의 이름, 리턴타입, 매게변수, 접근제어자에 대한 정보

3. Type Information : class인지 interface인지 여부저장, super class의 전체 이름

 

 

9. Heap영역

- new 연산자로 생성된 객체나 배열을 저장하는 가상 메모리 공간

- class area영역에 올라온 객체들만 객체로 생성할 수 있다

- 힙은 세부분으로 나눌 수 있다. 

 

● Permanent Generation

- 생성된 객체들의 정보의 주소값이 저장된 공간이다. 클래스 로더에 의해 로드되는 클래스, 메서드 등에 대한 Meta정보가 저장되는 영역

 

● New/Young영역

- Eden : 객체들이 최초로 생성되는 공간

- Survivor 0/1 : Eden에서 참조되는 객체들이 저장되는 공간

 

● Old영역

- New Area에서 일정 시간 참조되고 있는, 살아남은 객체들이 저장되는 공간

- Eden영역에 객체가 가득차게되면 첫번째 GC가 발생한다. 

- Eden 영역에 있는 값들을 Survivor1 영역에 복사하고 이 영역을 제외한 나머지 영역의 객체를 삭제한다.

 

 

@ 출처 : https://blog.naver.com/cjhol2107/221752149084

[JAVA] JVM(Java Virtual Machine) 자바 가상머신과 메모리 영역(Stack, Method, Heap)