JVM 내부로

JVM이란?

자바를 가지고 코딩을 하는 사람은 한번 쯤 JVM 이란 단어를 들어왔을 것이다.

이 JVM은 컴퓨터와의 소통을 도와주는데, 어떤 식으로 소통을 도와주는 지 단계별로 살펴보자

 

먼저 우리가 코딩을 하고 컴파일러를 통해서 컴파일하면 .class 파일이 생성된다.

 

현재 이 클래스 파일은 기계어가 아닌 바이트 코드로 되어있다.

 

바이트 코드란 무엇일까?

JVM이 이해할 수 있는 언어로 변환된 자바 소스코드이다.

 

언제 어디서든 운영체제에 관계없이 JVM 위에서 실행될 수 있다.

예를 들어 아래의 코드는

 

System.out.println("Hello World");

 

다음과 같은 바이트 코드를 가진다.

 

// class version 61.0 (61)
// access flags 0x21
public class Main {

  // compiled from: Main.java

  // access flags 0x1
  public <init>()V
   L0
    LINENUMBER 8 L0
    ALOAD 0
    INVOKESPECIAL java/lang/Object.<init> ()V
    RETURN
   L1
    LOCALVARIABLE this LMain; L0 L1 0
    MAXSTACK = 1
    MAXLOCALS = 1

  // access flags 0x9
  public static main([Ljava/lang/String;)V
   L0
    LINENUMBER 10 L0
    GETSTATIC java/lang/System.out : Ljava/io/PrintStream;
    LDC "hello world"
    INVOKEVIRTUAL java/io/PrintStream.println (Ljava/lang/String;)V
   L1
    LINENUMBER 11 L1
    RETURN
   L2
    LOCALVARIABLE args [Ljava/lang/String; L0 L2 0
    MAXSTACK = 2
    MAXLOCALS = 1
}

 

이렇게 바이트 코드로 변환 된 클래스 파일을 JVM에게 전달한다.

 

 

JVM은 이 형식의 파일을 가지고 있다가 필요할 때 기계어로 번역을 해서 제공한다.

즉 JVM은 컴파일러와 컴퓨터 사이에 통역가 같은 역할을 해준다고 보면 된다.

 

기존 c,c++ 컴파일러와는 뭐가 다를까?

근데 하나 의문점이 생겼다.

다른 언어들도 마찬가지로 문장으로 코딩을 하는데 왜 자바만 JVM이란 것을 사용할까?

 

printf("Hello World");

 

분명 c언어도 다음과 같이 코딩을 하는데 c언어도 JVM 같은 것을 사용할까?

 

결론은 “아니다”

이는 언어가 추구하는 방식과 컴파일 방식의 차이 때문이다.

 

 

c나 c++ 같은 언어들은 소스코드를 기계가 바로 알아들을 수 있는 바이너리 코드로 번역해준다.

여기서 문제가 하나 있는데 모든 컴퓨터 운영체제들이 같은 언어를 쓰는 것이 아니란 거다.

이로 인해 맥에서 컴파일한 파일이 윈도우나 리눅스에서는 안 돌아가는 문제가 생긴다.

 

왜냐하면 c나 c++은 각 머신에 맞는 기계어로 바로 컴파일을 해준다.

속도 면에서는 빠를 지 몰라도 다른 환경과의 호환성을 떨어진다.

하지만 JVM은 WORA 라는 철학에 기반을 두고 만들어졌다.

 

*WORA

Write Once Run Anywhere

한번 쓰고 어디든 돌아간다.

이런 특징 덕분에 자바는 운영체제 관계없이 동일하게 실행할 수 있다.

 

JRE , JDK 와의 관계

JVM과 이름이 비슷한 JRE,JDK는 어떤 관계일까?

결론 적으로 말하면 JVM이 제일 작고 서로 포함되는 관계이다.

 

아래 그림을 보자

 

 

JVM은 위에서 설명한대로 바이트코드를 기계어로 바꿔준다.

JRE는 런타임에 필요한 여러 라이브러리 , 파일들을 포함한다.

JDK는 그 외 개발에 필요한 디버깅 , 컴파일 같은 기능들을 제공한다.

 

JVM 특징 정리

 

• 스택 기반의 가상 머신이다.
• 심볼릭 레퍼런스
  • 객체를 참조할 때 메모리 주소를 참조하는 게 아닌, 이름으로 참조한다.

 

• 가비지 컬렉션
  • 더 이상 할당되지 않는 데이터의 메모리를 해제해준다.

 

• 기본 자료형을 명확하게 정의하여 플랫폼 독립성 보장
  • 기본 자료형을 명확하게 정의하여 호환성을 유지하고 플랫폼 독립성을 보장한다.

 

• 네트워크 바이트 오더
  • 빅 엔디안 바이트 주소를 사용해서 통신을 한다.

 

빅 엔디안 표기법이란?

0x12 0x34 0x56 0x78 과 같이 낮은 주소부터 높은 주소 순으로 표기하는 방식

 

JVM 명세

JVM 공식 문서를 보면 다음과 같이 나와있다.

To implement the Java Virtual Machine correctly, you need only be able to

read the class file format and correctly perform the operations specified therein. Implementation details that are not part of the Java Virtual Machine's specification would unnecessarily constrain the creativity of implementors.

 

 

요약을 해보면 , 구현자의 창의성을 저해할 수 있기 때문에 기본적인 명세를 제외한 세세한 부분은 정하지 않았다는 것이다.

흔히 행동만 추상화 해두고 구현 책임은 벤더사들에게 맡긴 거라고 볼 수 있다.

 

그 결과 무수한 JVM 벤더사들이 구현을 시작하였고 현재도 많은 JVM이 사용되고 있다.

ex) Oracle 의 핫스팟 , IBM의 Open J9 등등 ..

 

JVM 동작과정

앞서 JVM이 대략 무엇인지 알아보았으면 지금부터는 구체적인 동작과정을 알아볼 것이다.

 

JVM 구조

 

전체적인 동작 방식

JVM의 종류에 따라 상세한 방식은 살짝 다를 수 있지만, 전반적으로 다음과 같은 과정을 거친다.

1. 자바 코드를 바이트 코드로 컴파일한다.
2. 컴파일 된 바이트 코드를 클래스 로더에 전달한다.
3. 해당 클래스가 필요할 때 클래스 로더가 런타임 데이터 영역에 전달한다.
4. 실행 엔진이 해당 클래스 메소드를 실행 시킨다.

클래스 로더

클래스 로더의 구조

• 부트스트랩 클래스 로더
  • JVM을 구동시키기 위한 필수 라이브러리들을 탑재하고 있다.
  • 가장 초기에 실행되며 , 운영체제에 맞는 네이티브 코드로 쓰여있다.

 

• 익스텐션 클래스 로더
  • 자바 클래스의 핵심 라이브러리들을 탑재한다.

 

• 시스템 클래스 로더(Application ClassLoader)
  • 개발자들이 작성한 클래스 파일들을 탑재한다.
  • 이것을 상속하여 사용자 정의 클래스 로더를 구현할 수 있다.

 

 

요청이 들어왔을 때 모든 클래스 로더에 해당 클래스가 없을 시 ,

ClassNotFoundException 예외를 반환한다.

 

클래스를 로드하는 과정

 

 

클래스 어떻게 어떻게 클래스를 로드하는 지 간단하게 알아보자

• 로드
  • 클래스를 파일에서 가져와서 JVM 메모리에 할당한다.

 

• 링크
  • 검증(Verifying)
    • 클래스 파일이 유효한지를 검증한다.
    • 자바 명세 , JVM 명세를 잘 지켰는 지 확인하며 만약 테스트를 통과 못하였을 시에 VerifyError를 발생시킨다.
  • 준비(Preparing)
    • 클래스 및 인터페이스에 필요한 static field의 메모리를 할당하고 이를 기본값으로 초기화 한다.
  • 분석(Resolving):
    • constant pool 내에 있는 모든 **심볼릭 참조 값들을 메모리 주소(다이렉트)**로 변환시킨다.

 

• 초기화
  • 준비과정에서 기본값으로 초기화 시켜줬던 static filed들을 코드에 작성해줬던 초기값으로 변경해준다.

이 과정까지 마쳤으면 JVM에서 클래스 파일을 구동시킬 준비가 끝나게 된다.

 

클래스 로더의 특징

• 위임 모델
  • 클래스 로더는 계층 구조를 바탕으로 클래스 로더끼리 로드를 위임하는 구조로 동작한다.
  • 요청이 들어오면 상위 클래스로 요청을 위임해가면서 해당 클래스를 찾는데, 모든 클래스 로더에 없으면 클래스 패스에서 찾아보고 거기에도 없으면 예외를 반환한다.
  • 클래스 로더끼리 부모-자식 관계를 이루어 계층 구조로 생성되며 최상위 클래스 로더는 부트스트랩 클래스 로더이다.

 

• 가시성(visibility) 제한
  • 예를 들어서 어플리케이션 클래스 로더는 부트스트랩 로더의 클래스를 볼 수 있지만 , 그 반대는 안된다. (계층 구조)
  • 하위 클래스 로더는 상위 클래스 로더의 클래스를 찾을 수 있지만, 상위 클래스 로더는 하위 클래스 로더의 클래스를 찾을 수 없다.

 

• 언로드 불가
  • 클래스 로더는 클래스를 로드할 수는 있지만 언로드할 수는 없다. 언로드 대신, 현재 클래스 로더를 삭제하고 아예 새로운 클래스 로더를 생성하는 방법을 사용할 수 있다.

 

• 유일성
  • 하위 클래스 로더는 상위 클래스 로더가 로딩한 클래스를 다시 로딩하지 않음으로써 효율적으로 로딩이 가능하다

 

런타임 데이터 영역

 

 

런타임 데이터 영역은 JVM이 OS 할당 받는 메모리 영역이다.

크게 6가지의 영역이 있는데 , 공통으로 접근 가능 한것과 공유하지 않는 것을 구분 지어 알아보자

 

공유하지 않는 것

 

쓰레드 내에 있는 것들은 서로 접근 할 수 없다.

1. JVM 스택
   • 메서드가 하나씩 수행될 때마다 스택 프레임이 하나씩 쌓이게 된다.
   • 스택 프레임에는 지역 변수 배열이나 피연산자 스택 등 여러가지를 가지고 있다.
   예시 코드를 보면서 지역 변수 배열과 스택 기반 연산이 어떻게 이루어지는 지 알아보자

int num = 1; // 스택 프레임에 쌓임 
int sum = num + 5; // 스택 프레임에 쌓임

 

이런 간단한 코드를 수행할 때 JVM 스택 내에서는 어떤 일이 일어날까?

일단 위에서 말한 대로 스택 프레임에 메소드가 쌓이게 될 것 이다.

 

그 다음 지역 변수 배열에 파라미터 , 변수들이 저장이 되는 데 다음과 같이 저장된다.

다시 바이트 코드를 보자

L0
    LINENUMBER 15 L0
    ICONST_1 // 스택에 정수값 1을 올린다.
    ISTORE 1 // 스택에 있는 정수값을 꺼내서 1번 인덱스에 저장
   L1
    LINENUMBER 16 L1
    ILOAD 1 // 1번 인덱스의 값을 스택에 올려라
    ICONST_5 // 스택에 정수값 5를 올린다.
    IADD // 스택 상단 두 개의 값을 더한다.
    ISTORE 2 // 2번 인덱스에 저장한다.

이렇게 해서 값을 반환하고 연산을 마치게 된다.

 

 

2.PC 레지스터

• 현재 JVM 명령의 주소를 가지는 쓰레드 공유의 레지스터이다.
• 쓰레드가 시작될 때 생성된다.

3.네이티브 메서드 스택

• JNI 라는 것은 통해 자바가 아닌 c나 c++을 통해 클래스를 작성하였을 시 이를 수행하기 위한 스택이다.

공유하는 것

1. 힙
   • 인스턴스 혹은 객체를 저장한다.
   • 메모리를 정리하는 가비지 컬렉터의 작업이 주로 이루어진다.
2. 메서드 영역
   • 클래스 로더로 부터 불러온 클래스의 바이트 코드 정보들을 저장한다.

실행 엔진

실행 엔진에서 비로소 기계어로의 번역을 시작한다.

이때 두가지 방법이 쓰이는 데 인터프리터와 JIT 방식이다.

 

인터프리터

• 바이트 코드 명령어를 하나씩 읽어서 수행한다.
• 해석은 빠르지만 실행은 느리다는 단점이 있다.
• 바이트 코드는 기본적으로 인터프리터로 동작한다.

 

JIT(Just-In-Time)

• 바이트 코드 전체를 네이티브 코드로 번역한다.
• 이후 인터프리팅을 하지 않고 네이티브 코드로 직접 실행하며 한번 컴파일 된 코드는 캐시에 저장된다.
• 하지만 처음 컴파일 과정이 오래 걸리므로 한번만 쓰는 메소드는 JIT 사용이 적합하지 않다.

참고자료

JVM에 관하여 - Part 2, ClassLoader

JVM에 관하여 - Part 2, ClassLoader

JVM. 클래스로더 서브시스템(Class Loader Subsystem)

JVM. 클래스로더 서브시스템(Class Loader Subsystem)

https://www.youtube.com/watch?v=6reapO0gLPs&t=399s