자바 가상 머신
자바 가상 머신(JVM)의 개요
자바 가상 머신(JVM)은 자바 프로그램을 실행하기 위한 가상 환경으로, 자바 바이트코드를 해석하고 실행하는 역할을 합니다. JVM은 자바 플랫폼의 핵심 구성 요소로, 자바 애플리케이션이 운영 체제와 하드웨어에 독립적으로 실행될 수 있도록 합니다. 자바 소스 코드는 컴파일러에 의해 바이트코드로 변환되며, 이 바이트코드는 JVM에서 실행됩니다. JVM은 다양한 운영 체제에서 동일한 바이트코드를 실행할 수 있도록 하여 "Write Once, Run Anywhere"라는 자바의 철학을 실현합니다.
JVM의 구조
JVM은 여러 구성 요소로 이루어져 있으며, 주요 구성 요소로는 클래스 로더, 실행 엔진, 메모리 관리, 가비지 컬렉터 등이 있습니다.
클래스 로더: 자바 클래스 파일을 메모리에 로드하는 역할을 하며, 클래스의 바이트코드를 읽고, 필요한 경우 동적으로 클래스를 로드합니다. 클래스 로더는 여러 종류가 있으며, 사용자 정의 클래스 로더도 구현할 수 있습니다.
실행 엔진: 로드된 바이트코드를 실행하는 부분으로, 인터프리터와 JIT(Just-In-Time) 컴파일러로 구성됩니다. 인터프리터는 바이트코드를 한 줄씩 해석하여 실행하고, JIT 컴파일러는 자주 호출되는 메서드를 기계어로 컴파일하여 성능을 향상시킵니다.
메모리 관리: JVM은 프로그램 실행 중에 필요한 메모리를 관리합니다. 메모리는 주로 스택, 힙, 메소드 영역으로 나뉘며, 각 영역은 특정 용도로 사용됩니다.
가비지 컬렉터: 사용되지 않는 객체를 자동으로 메모리에서 해제하여 메모리 누수를 방지하는 역할을 합니다. 가비지 컬렉션은 JVM의 중요한 기능 중 하나로, 개발자가 메모리 관리를 직접 하지 않아도 되도록 도와줍니다.
JVM의 메모리 구조
JVM의 메모리 구조는 크게 네 가지 영역으로 나눌 수 있습니다: 메소드 영역, 힙 영역, 스택 영역, PC 레지스터입니다.
메소드 영역: 클래스 정보, 메서드, 필드, 상수 풀 등의 데이터가 저장되는 영역입니다. 이 영역은 모든 스레드가 공유하며, 클래스가 로드될 때 생성됩니다.
힙 영역: 객체가 생성되는 영역으로, 모든 객체와 배열이 이곳에 저장됩니다. 힙 영역은 가비지 컬렉터에 의해 관리되며, 메모리 할당과 해제가 동적으로 이루어집니다.
스택 영역: 각 스레드마다 생성되는 영역으로, 메서드 호출 시 생성되는 프레임이 저장됩니다. 각 프레임에는 로컬 변수, 메서드 호출 정보, 반환 주소 등이 포함됩니다.
PC 레지스터: 현재 실행 중인 JVM 명령어의 주소를 저장하는 레지스터로, 각 스레드마다 하나씩 존재합니다. 스레드가 실행될 때마다 PC 레지스터의 값이 업데이트됩니다.
JVM의 실행 과정
JVM에서 자바 프로그램이 실행되는 과정은 다음과 같습니다.
소스 코드 작성: 개발자가 자바 소스 코드를 작성합니다.
컴파일: 자바 컴파일러(javac)를 사용하여 소스 코드를 바이트코드(.class 파일)로 변환합니다.
클래스 로딩: JVM의 클래스 로더가 바이트코드를 메모리에 로드합니다. 이 과정에서 필요한 클래스가 동적으로 로드됩니다.
바이트코드 실행: JVM의 실행 엔진이 바이트코드를 해석하거나 JIT 컴파일러를 통해 기계어로 변환하여 실행합니다.
가비지 컬렉션: 프로그램 실행 중에 사용되지 않는 객체는 가비지 컬렉터에 의해 자동으로 메모리에서 해제됩니다.
JVM의 성능 최적화
JVM은 성능을 최적화하기 위해 여러 가지 기술을 사용합니다.
JIT 컴파일: 자주 호출되는 메서드를 기계어로 컴파일하여 실행 속도를 높입니다. JIT 컴파일러는 실행 중에 바이트코드를 분석하여 최적화된 기계어로 변환합니다.
가비지 컬렉션 최적화: 다양한 가비지 컬렉션 알고리즘을 사용하여 메모리 관리를 효율적으로 수행합니다. 예를 들어, G1(Garbage-First) 가비지 컬렉터는 대규모 애플리케이션에서 성능을 최적화하기 위해 설계되었습니다.
메모리 관리 최적화: JVM은 메모리 할당과 해제를 최적화하여 성능을 향상시킵니다. 예를 들어, 객체의 크기와 생애 주기를 분석하여 메모리 할당을 효율적으로 수행합니다.
스레드 관리: JVM은 멀티스레딩을 지원하며, 스레드 간의 동기화와 자원 관리를 최적화하여 성능을 높입니다.