JVM 구조 동작원리 그리고 GC
Java 프로그램은 JVM 위에서 동작하고 관리됩니다. JVM 은 플랫폼에 종속적이지 않으며 메모리 관리도 알아서 해준다고 하는데 과연그럴까? JVM이 구체적으로 어떤 구조를 갖고있고 어떻게 동작하며 효과적인 GC를 위해 개발자가 알아야 할 주의 사항에 대해 알아보겠습니다.
JVM?
Java Compiler 가 java파일을 class java byte code로 컴파일을 하는데 이 class 파일을 OS가 해석할수 있도록
도와주는 역할을 합니다.
JVM 구조
- Class Loader
- Runtime Data Areas
- Excution Engine
JVM 은 크게 3영역으로 나눕니다.
Class Loader
Runtime 시에 class byte code를 로딩해줍니다.
클래스의 인스턴스를 생성하면 클래스 로더를 통해 메모리에 로드하게 됩니다.
- 부트스트랩 클래스 로더
- 확장 클래스 로더
- 시스템 클래스 로더 클래스 로더에도 3가지 종류가 있는데 불러지는 자바 라이브러리가 제가각 다릅니다.
Runtime Data Areas
JVM이 OS로 부터 프로그램 실행을 위해 할당받은 메모리 영역
- PC Registers
- JVM Stacks
- Native MEthod Stacks
- Method Area
- Heap
Runtime Data Areas 는 5개의 영역으로 나눌수 있습니다.
PC Registers, JVM Stacks, Native Method Stacks는 Thread 별 생성이 되고
Method Area, Heap 영역은 모든 Thread 공유가 가능합니다.
PC Registers
현재 실행되고있는 JVM instruction 의 주소를 갖고있습니다.
JVM Stacks
Thread 별로 Method가 호출될떄 메모리를 차지합니다.
정확이 말하면 JVM stack 에는 stack frame 형태의 정보가 저장이되는 것이고 stack frame은 새로운 method가 호출될때마다 생성이 됩니다.
Native Method Stacks
Java 이외의 이기종 언어에서 제공되는 Method 정보가 저장되는 공간입니다.
Method Area
Class Loader가 읽어드린 class byte code 가 저장되는 영역입니다.
new 연산을 통해 객체가 생성되고 method가 실행되면 클래스 코드에 대한 정보를 저장하게 됩니다.
- Type Information
- Field Information
- Method Information
- Class Variable
4가지 타입으로 구분되어 저장됩니다.
Heap
- Permenant Generation
- Young Generation
- Old Generation
Java8에서는 Permenant Generation 이 없어지고metaspace영역이 새로 생겼습니다.
metaspace은 Heap 영역의 일부는 아닙니다.
새로운 객체가 생성될 떄마다 그 객채에 대한 주소값이 저장됩니다. 모든 Thread에서 참조와 접근이 가능합니다. GC의 대상이 되는 영역입니다.
Excution Engine
클래스 로더에 의해 JVM에 올려진 바이트 코드를 기계어로 변경하고 실행하는 역할을 합니다.
- Interpreter
- JIT (Just-In-Time) compiler
JIT compiler 는 Interpreter 의 단점을 개선하기 위한 방식으로 프로그램이 실행될때 바이트 코드를 기걔어로 변경합니다.
GC
동적으로 할돵된 메모리 영역 중에서 사용할수 없는 영역을 탐지해 해제하는 기능입니다.
기본적으로 최초의 객체 참조(root set)로 부터 reachable,unreachable 상태 따라 Garbage Collector 가 GC 여부를 판단합니다.
크게 Young Generation 와 Old Generation에서의 동작으로 나누어 집니다.
다양한 Garbage Collector 방식이 존재합니다.
- Serial GC
- Parallel GC
- Parallel Old GC(Parallel Compacting GC)
- Concurrent Mark & Sweep GC(CMS)
- G1(Garbage First) GC
G1 GC는 Young/Old Generation 에 대한 구분없이 동작합니다.
G1 GC 는 Java8d의 기본 GC 입니다.
Young Generation
- Minor GC 발생
- Major GC 에 비해 속도 빠름
새로운 객체가 생성되면 Young Generation 영역에 생성됩니다. 이영역에서 객체가 사라질때 Minor GC 가 발생합니다.
Old Generation
- Major GC 발생
- Minor GC 에 비해 속도 느림
Minor GC 에서 살아남은 객체들이 Old Generation으로 이동합니다.
Old Generation 영역이 모두 사용되면 Major GC가 일어납니다.
GC의 중요성
GC가 메모리를 복사하고 해제하는 작업을 위해서는 GC 작업 Thread 이외의 Thread는 모두 작업을 멈춥니다.
stop the world
프로그램 장애로 이어질수 있기때문에 서비스의 안정성을 위해서는 반드시 고려 해야 합니다.
추가적으로 GC 방법에 따라 4가지 방식의 reference type이 존재합니다.
GC 메카니즘에서 메모리에대한 회수는 메모리 참조 뿐 아니라 레퍼런스 타입 유형에 따라 의존하기 때문에 알아 두는것이 좋을것 같습니다.
정리
성능 좋은 Java 프로그램 개발을 위해서 JVM 구조와 원리, GC 메카니즘에 대하여 정확히 파악하고 있는것이 중요해 보입니다.
GC는 알아갈수록 어려운것 같습니다. 다양한 GC 방식에 대하여 좀더 공부하고 포스팅할 예정입니다.
