Java 애플리케이션의 실행 과정과 JVM의 구조

JVM이란?

JVM(Java Virtual Machine)이란 자바 가상 머신, 즉 Java 프로그램을 싱행하는 가상의 컴퓨터이다.

(가상머신이란 프로그램을 실행하기 위한 물리적 머신과 유사한 머신을 소프트웨어로 구현한 것이다.)

 

JVM의 역할은 자바 애플리케이션을 클래스 로더를 통해 읽어들여 실행하는 것이다.

또한 JVM은 Java와 OS 사이에서 중개자 역할을 수행하여 특정한 하드웨어나 OS에 의존하지 않고 Java 코드를 실행할 수 있게 해준다. 그리고 가장 중요한, 메모리 관리(GC)를 수행한다.

 

왜 JVM을 알아야 하는가

한정된 시스템 리소스 중에서 가장 중요한 것은 메모리이다.

동일한 기능의 프로그램이더라도 메모리 관리에 따라 성능이 좌우된다. (프로그램이 메모리를 효율적으로 사용하지 않으면 성능 저하와 메모리 부족 문제가 발생할 수 있다.)

 

JVM을 이해하고 JVM이 관리하는 메모리 구조를 파악하면 자원을 최적화하여 메모리 관리의 효율성을 높일 수 있다.

그래서 알아두면 좋다를 넘어서 알아야 하는 것이다.

 

Java 프로그램 실행 과정

Java 프로그램 실행 과정과 JVM의 구조

1. 자바 프로그램이 실행되면 JVM은 OS로부터 이 프로그램이 필요로 하는 메모리(= Runtime Data Area)를 할당 받는다. (JVM은 이 메모리를 용도에 따라 메서드 영역, 스택 영역, 힙 영역으로 나누어 관리한다.)
2. 자바 컴파일러(javac)가 소스코드(.java)를 읽어들여 바이트코드(=클래스 파일(.class))로 변환한다.
3. 클래스로더(Class Loader)를 통해 클래스 파일들을 JVM으로 로딩한다.
4. 로딩된 클래스 파일은 실행(Execution) 엔진을 통해 해석된다.
5. 해석된 바이트코드(=클래스 파일)는 런타임 데이터 영역에 배치되어 실질적으로 실행된다.

클래스 파일: JVM에서 실행될 수 있는 형태로 소스코드가 컴파일 된 형태

 

이러한 과정 속에서 JVM은 필요에 따라 쓰레드 동기화나 GC같은 관리 작업을 수행한다.

우선 JVM의 구조에 대해 살펴보자.

 

JVM의 구조

JVM은 클래스로더, 실행 엔진, 런타임 데이터 영역으로 구성되어 있다.

1) Class Loader (클래스 로더)

자바 컴파일러(javac)에 의해 변환된 클래스(.class) 파일을 JVM 내로 로드하는 모듈이다. (런타임 시에 동적으로 클래스 파일을 로드한다.)

클래스 로더에 대해서는 이 글에서 자세히 설명한다.

컴파일 타임: 소스코드가 기계어로 변환되어 실행가능한 프로그램이 되는 과정
런타임: 컴파일 타임 이후 프로그램이 실행되는 때 (= 바이트 코드를 실행할 때)

 

클래스 로더 로딩 과정

컴파일된 클래스 파일은 로딩(Loading), 링킹(Linking), 초기화(Initialization)의 단계를 거쳐 JVM에서 사용할 수 있게 된다.

1-1. Loading (로딩)

우선 클래스 로더는 자바 바이트 코드(.class)를 읽고, 그 내용에 따라 적절한 바이너리 데이터를 만들고 메서드 영역에 저장한다.

이 과정에서 .class 파일이 JVM 스펙에 맞는지 확인하고, Java Version을 확인한다.

1-2. Linking (링킹)

Verifying(검증): 읽어 들인 클래스 파일이 유효한 것인지 확인한다. 클래스 파일 형식이 유효한지(= 자바 언어 명세 & JVM 명세에 명시된 대로 잘 구성되어 있는지) 검증한다. 

Preparing(준비): 클래스가 필요로 하는 메모리 공간을 할당한다. 클래스에 정의된 필드, 메서드, 인터페이스를 나타내는 데이터 구조를 준비한다.

Resolving(분석): 선택적으로 진행되는 과정으로 사용하는 환경에 따라 동작 유무가 정해진다. 심볼릭 메모리 레퍼런스를 메서드 영역에 있는 실제 레퍼런스로 교체한다.

1-3. Initialization (초기화)

링킹 단계의 Prepare 단계에서 확보한 메모리 영역에 클래스의 static 값들을 할당한다.

 

2) Execution (실행 엔진)

클래스(=바이트 코드)를 실행시키는 역할을 한다.

클래스로더가 JVM 내의 런타임 데이터 영역에 바이트 코드를 배치시키고, 이것은 실행 엔진에 의해 실행된다.

 

자바 바이트 코드는 기계가 바로 수행할 수 있는 언어보다는 비교적 인간이 보기 편한 형태로 기술된 것이다.

따라서 실행 엔진은 이와 같은 바이트 코드를 실제로 JVM 내부에서 기계가 실행할 수 있는 형태로 변경하는데, 이 때 인터프리터 방식 또는 JIT 방식을 사용한다.

2-1. Interpreter (인터프리터)

실행 엔진은 자바 바이트 코드를 명령어 단위로 읽어서 실행한다.

하지만 이 방식은 인터프리터 언어의 단점을 그대로 가지고 있다. 한 줄씩 수행하기 때문에 느리다는 것이다.

2-2. JIT(Just-In-Time) Compiler

인터프리터 방식의 단점을 보완하기 위해 도입된 컴파일러이다. 최근에 JIT 컴파일 방식으로 자바 컴파일러를 개선하여 Java 프로그램 실행 속도가 많이 빨라졌다.

 

인터프리터 방식으로 실행하다가 적절한 시점에 바이트 코드 전체를 컴파일하여 네이티브 코드로 변경하고, 이후에는 더이상 인터프리팅 하지 않고 네이티브 코드로 직접 실행하는 방식이다.

네이티브 코드는 캐시에 보관하기 때문에 한 번 컴파일 된 코드는 빠르게 수행하게 된다.

 

다만, JIT 컴파일러가 컴파일 하는 과정이 바이트 코드를 인터프리팅 하는 과정보다 훨씬 오래 걸리므로, 한 번만 실행되는 코드라면 컴파일 하지 않고 인터프리팅 하는 것이 유리하다.

따라서 JIT 컴파일러를 사용하는 JVM들은 내부적으로 해당 메서드가 얼마나 자주 수행되는지 체크하고, 일정 정도를 넘을 때에만 컴파일을 수행한다. 

2-3. GC (Garbage Collector)

JVM의 메모리 관리 기법 중 하나로 힙 영역에서 불필요한 메모리를 해제하여 시스템의 가용 메모리를 유지하고 메모리 누수를 방지한다.

가비지 컬렉션에 대해서는 이 글에서 자세히 설명한다.

 

3) Runtime Data Area

런타임 데이터 영역 (=메모리 영역)

자바 애플리케이션이 실행되면 JVM은 OS로 부터 메모리를 할당 받는데, 이 메모리 공간을 런타임 데이터 영역이라고 한다.

JVM은 이 메모리를 용도에 따라 메서드 영역, 스택 영역, 힙 영역으로 나누어 관리한다.

 

3-1. 메서드 영역

메서드 영역은 프로그램의 실행 코드와 static 변수를 저장한다.

 

스프링 부트 애플리케이션의 경우, Java 바이트 코드가 이 영역에 위치한다. 컨트롤러, 서비스, 레포지토리와 같은 클래스의 메서드들, Java 표준 라이브러리의 함수들, 스프링 프레임워크 코드 등이 포함된다.

 

Java에서는 static 키워드를 사용하여 정의된 변수나 객체 등이 이 영역에 할당된다.

예를 들어, 스프링 애플리케이션에서 Singleton Scope의 Bean이나 정적으로 선언된 설정 값들이 이 영역에 위치할 수 있다.

 

메서드 영역은 JVM이 동작해서 클래스가 로딩될 때 할당되며,

프로그램 시작 전에 로드되어 종료까지 메모리에 남아있다.

3-2. 스택 영역

스택 영역은 메서드의 지역변수와 매개변수를 프레임(frame) 형태로 저장한다.

예를 들어, HTTP 요청이 들어오면 해당 요청을 처리하는 컨트롤러 메서드가 호출될 때, 해당 메서드의 매개변수, 지역변수, 리턴 주소 등이 스택에 push 된다. 이후 메서드 실행이 완료되면 해당 정보는 스택에서 pop 되어 제거된다.

 

스택 영역은 컴파일 타임에 할당된다.

3-3. 힙 영역

힙 영역은 동적으로 생성된 객체들을 저장한다.

스프링 부트 애플리케이션에서 new 키워드로 생성된 객체나 배열, Sprign Bean, JPA 엔티티 객체 등 다양한 객체들이 이 영역에 할당된다. GC(가비지 컬렉터)의 관리 대상이기 때문에, 더이상 참조되지 않는 객체의 메모리 영역은 GC에 의해 회수된다.

 

힙 영역은 런타임에 할당된다.

 

힙 영역은 GC의 관리 대상이라고 했다.

그렇다면 힙 영역이 어떻게 구성되어 있고 GC는 이를 어떻게 관리하는지 궁금하다면 이 글을 참고하자.

 

참고 자료

자바가상머신, JVM이란 무엇인가?

자바 코드와 메서드, 스태틱 변수 등은 메모리의 어디에 위치할까?

[Java] Java 8 vs Java 11

[Java] 자바 클래스로더(Class Loader)

[java] 자바 메모리 구조(static, stack, heap)