JVM

Java 애플리케이션을 실행하기 위한 가상 머신 으로, Java 코드 (바이트코드) 를 실행하는 역할을 함.

플랫폼 독립성 을 제공하며, Java 프로그램이 다양한 운영체제에서 실행될 수 있도록 해줌.

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1. JVM 의 주요 기능

1.1 플랫폼 독립성 제공

• Java 코드는 .class 파일(바이트코드)로 변환됨.

• JVM이 해당 바이트코드를 실행하여 운영체제(OS)와 상관없이 실행 가능

• "Write Once, Run Anywhere(WORA)" 개념 구현

1.2 메모리 관리(Garbage Collection)

• JVM 은 Heap 메모리를 자동으로 관리

• Garbage Collector(GC) 가 불필요한 객체를 제거하여 메모리를 최적화

1.3 실행 최적화(JIT 컴파일러)

• Java 코드는 처음에는 바이트코드로 실행되지만, JVM 의 JIT(Just-In-Time) 컴파일러 가 실행 중 일부 바이트코드를 네이티브 코드로 변환하여 성능 향상

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2. JVM 의 주요 구성 요소

JVM 은 크게 3가지 주요 컴포넌트로 구성됨.

2.1 클래스 로더 시스템(Class Loader System)

• 클래스를 메모리에 로드하고 링크, 초기화하는 역할

• Java 코드(.java ) ⇒ 바이트코드(.class ) 변환 후 JVM 내부에서 실행됨.

클래스 로딩 과정

1. 로딩(Loading) : .class 파일을 읽고 메모리에 로드

2. 랭킹(Ranking) :

   1. 검증(Verification) : 바이트코드가 올바른지 확인

   2. 준비(Preparation) : 정적 변수 메모리 할당

   3. 해석(Resolution) : 심볼릭 참조를 실제 참조로 변환

3. 초기화(Initialization) : static 변수 초기화 및 static 블록 실행

클래스 로더 유형

• Bootstrap ClassLoader : java.lang 패키지 등 핵심 라이브러리 로드

• Extension ClassLoader : ext 디렉터리 라이브러리 로드

• Application ClassLoader : 클래스패스에서 사용자 클래스 로드

2.2 런타임 데이터 영역(Runtime Data Area)

JVM의 메모리 구조는 여러 영역으로 나뉨

JVM 메모리 구조

1. Method Area(메서드 영역)

   1. 클래스 정보, 정적 변수, 런타임 상수 풀을 저장

   2. 모든 쓰레드가 공유(Static Data 저장)

2. Heap Area(힙 영역)

   1. 객체와 인스턴스 변수가 저장되는 공간

   2. 모든 쓰레드가 공유

   3. Garbage Collector(GC) 관리 대상

3. Stack Area(스택 영역)

   1. 각 쓰레드마다 생성되며, 메서드 호출 시 스택 프레임이 생성됨.

   2. 지역 변수, 메서드 호출 정보 저장

4. PC Register(PC 레지스터)

   1. 현재 실행 중인 JVM 명령어의 주소 를 저장

   2. 각 쓰레드마다 별도로 존재

5. Native Method Stack(네이티브 메서드 스택)

   1. JNI(Java Native Interface) 기반의 네이티브 코드(C/C++ 등) 실행을 위한 공간

2.3 실행 엔진(Execution Engine)

JVM 에서 실제로 바이트코드를 실행하는 컴포넌트

실행 과정

1. 인터프리터

   1. 바이트코드를 한줄 씩 읽어 해석하고 실행

   2. 실행 속도가 느리지만, 즉시 실행 가능

2. JIT(Just-In-Time) 컴파일러

   1. 인터프리터의 단점을 보완하기 위해 자주 실행되는 코드 를 네이티브 코드로 변환하여 속도를 향상

   2. HotSpot JVM 에서 활용

3. Garbage Collector(GC)

   1. Heap 영역의 불필요한 객체를 자동으로 제거하여 메모리를 최적화

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3. JVM 의 실행 과정

Java 프로그램 실행 흐름

1. 소스 코드 작성(.java 파일)

2. 컴파일(javac 사용하여 .class 바이트코드 생성)

3. JVM 이 바이트코드 로드(Class Loader 를 통해 메모리로 로드)

4. 바이트코드 실행 (Execution Engine 이 인터프리터/JIT 로 실행)

5. Garbage Collector가 메모리 관리

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4. JVM 과 JDK, JRE 의 차이점

구성 요소	설명
JVM (Java Virtual Machine)	바이트코드를 실행하는 가상 머신
JRE (Java Runtime Environment)	JVM + 기본 라이브러리 (Java 실행 환경)
JDK (Java Development Kit)	JRE + Java 개발 도구 (컴파일러, 디버거 포함)

JVM → JRE → JDK 순으로 포함 관계가 있음. 즉, JDK를 설치하면 JRE와 JVM이 포함됨.

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5. JVM 튜닝 및 최적화

JVM 은 기본적으로 자동 메모리 관리를 제공하지만, 성능을 최적화하기 위해 다양한 설정이 가능함.

JVM 옵션 예제

java -Xms512m -Xmx2g -XX:+UseG1GC -XX:MaxGCPauseMillis=200

-Xms512m	초기 Heap 크기 512MB 설정

-Xmx2g	최대 Heap 크기 2GB 설정

-XX:+UseG1GC	G1 Garbage Collector 사용

-XX:MaxGCPauseMillis=200	GC 최대 정지 시간 200ms로 제한

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6. JVM Garbage Collection (GC)

JVM 은 GC(Garbage Collection) 을 통해 Heap 메모리를 자동 관리함.

GC 주요 알고리즘

1. Serial GC ⇒ 단일 쓰레드에서 GC 수행(작은 애플리케이션에 적합)

2. Parallel GC ⇒ 멀티 쓰레드로 GC 수행(멀티코어 환경에 적합)

3. CMS GC(Concurrent Mark Sweap) ⇒ 응답 속도가 중요한 서비스에서 사용

4. G1 GC(Garbage First GC) ⇒ 최신 GC, 대규모 애플리케이션에 최적화

GC 동작 방식

1. Young Generation(Eden + Survivor)

   1. 새롭게 생성된 객체가 저장됨.

   2. Minor GC 발생 시 살아남은 객체는 Survivor 로 이동

2. Old Generation(Tenured)

   1. Young Generation 을 지나 오래된 객체가 저장됨.

   2. Major GC/ Full GC 발생 시 메모리 회수

3. Permanent Generation(Metaspace)

   1. 클래스 정보와 메타데이터 저장(Java 8 이후 Metaspace로 변경)