JVM Structure

JVM 구조

자바VM은 자바 프로그램을 실행하는 가상 머신으로, 여러 구성 요소로 나뉩니다. 주요 구성 요소는 다음과 같습니다:

1. 클래스 로더(Class Loader)

2. 메모리 영역(Memory Areas)

   1. 메서드 영역(Method Area)

   2. 힙 (Heap)

   3. PC 레지스터 (PC Register)

   4. JVM 스택 (JVM Stack)

   5. 네이티브 메서드 스택 (Native Method Stack)

3. 실행 엔진(Execution Engine)

4. Java Native Interface (JNI)

5. 네이티브 메서드 라이브러리(Native Method Libraries)

클래스 로더(Class Loader)

클래스 로더는 JVM이 자바 클래스 파일을 동적으로로드하고, 이를 런타임 데이터 영역으로 배치하는 역할을 합니다. 클래스 로더는 계층 구조로 되어 있으며, 주로 세가지 종류가 있습니다.

• Bootstrap ClassLoader: JVM 내부에 내장된 기본 클래스들을 로드합니다.

• Extention ClassLoader: 기본 클래스 외의 추가적인 라이브러리를 로드합니다.

• Application ClassLoader: 애플리케이션 클래스 로더로, 사용자 정의 클래스 및 애플리케이션에서 사용되는 클래스를 로드합니다.

메모리 영역

JVM은 실행 중에 다양한 메모리 영역을 사용합니다.

• 메소드 영역: 클래스 메타데이터, 상수, 스태틱 변수 등을 저장합니다.

• 힙: 모든 객체 인스턴스와 배열을 저장합니다

• PC 레지스터: 현재 실행 중인 JVM 명령어의 주소를 가리킵니다.

• 스택: 각 스레드마다 별도로 생성되며, 메서드 호출 시 생성되는 프레임을 저장합니다.

• 네이티브 메서드 스택: 네이티브 메서드 호출 시 사용되는 스택입니다.

단어 설명

메소드 영역(Method Area)

• 클래스 메타데이터(Class Metadata): 클래스에 대한 정보를 포함합니다. 예를 들어, 클래스 이름, 부모 클래스, 메서드 및 필드 정보 등이 있습니다.

• 상수(Constant): 프로그램 내에서 변하지 않는 값을 의미합니다. 예를 들어, final 키워드로 선언된 변수나 리터럴(literals)이 있습니다.

• 스태틱 변수(Static Variable): 클래스 수준에서 선언된 변수로, 모든 인스턴스가 공유합니다. static 키워드로 선언됩니다.

힙(Heap)

• 객체 인스턴스(Object Instance): 클래스를 통해 생성된 실제 데이터 구조입니다. 예를 들어, new 키워드를 사용해 생성된 객체입니다.

• 배열(Array): 동일한 타입의 데이터가 연속적으로 저장된 자료 구조입니다. 예를 들어, int[] arr = new int[10];와 같은 선언이 있습니다.

스택(Stack)

• 스레드(Thread): 프로그램의 실행 단위를 의미합니다. 자바에서는 멀티스레딩을 통해 여러 작업을 동시에 실행할 수 있습니다.

• 메서드 호출(Method Call): 프로그램이 메서드를 실행하는 것을 의미합니다. 예를 들어, object.methodName();처럼 메서드를 호출합니다.

• 프레임(Frame): 메서드 호출 시 생성되는 데이터 구조로, 지역 변수, 파라미터, 반환 주소 등이 포함됩니다.

PC 레지스터(Program Counter Register)

• JVM 명령어(JVM Instruction): 자바 바이트코드로 작성된 명령어입니다. JVM이 실행할 수 있는 최소 단위의 코드입니다.

• 주소(Address): 메모리의 특정 위치를 가리키는 값입니다. PC 레지스터는 현재 실행 중인 명령어의 위치를 가리킵니다.

네이티브 메서드 스택(Native Method Stack)

• 네이티브 메서드(Native Method): 자바가 아닌 다른 프로그래밍 언어(C, C++ 등)로 작성된 메서드입니다. JNI(Java Native Interface)를 통해 호출됩니다.

• 스택(Stack): 데이터 구조의 하나로, LIFO(Last In First Out) 원칙에 따라 데이터를 저장하고 제거합니다. 네이티브 메서드 호출 시에도 스택을 사용합니다.

실행엔진

실행 엔진은 JVM의 핵심 구성 요소로, 자바 바이트코드를 실제 머신 코드로 변환하고 실행하는 역할을 합니다. 실행 엔진은 세 가지 주요 컴포넌트로 구성됩니다.

• 인터프리터: 바이트코드를 한 줄씩 읽어 실행합니다. 초기 시작 속도가 빠르지만, 반복되는 코드를 실행할 떄는 비효율적입니다.

• JIT 컴파일러(Just-In-Time): 반복적으로 실행되는 바이트코드를 머신 코드로 변환하여 캐싱합니다. 실행속도를 향상시킵니다.

• 가비지 컬렉터: 더 이상 참조되지 않는 객체를 메모리에서 제거하여 메모리 누수를 방지합니다.

자바 네이티브 인터페이스(JNI)

자바 애플리케이션이 C, C++ 같은 네이티브 코드와 상호작용할 수 있게 해주는 인터페이스입니다. JNI를 통해 네이티브 라이브러리를 호출할 수 있으며, 시스템 레벨의 기능을 사용할 수 있습니다.

네이티브 라이브러리? 시스템 레벨의 기능?

네이티브 라이브러리(Native Library)

정의

• 네이티브 라이브러리: C, C++ 등의 언어로 작성된 라이브러리로, 자바 애플리케이션에서 JNI(Java Native Interface)를 통해 호출할 수 있습니다. 네이티브 라이브러리는 자바가 기본적으로 제공하지 않는 저수준의 기능이나 최적화된 성능을 제공합니다.

용도

• 성능 최적화: 일부 연산이나 처리가 자바보다 C/C++에서 더 빠르게 실행될 수 있기 때문에 성능을 최적화하기 위해 네이티브 라이브러리를 사용합니다.

• 플랫폼 종속 기능: 자바가 추상화한 기능 외에 특정 운영체제나 하드웨어에서만 사용할 수 있는 기능을 접근하기 위해 사용됩니다.

• 기존 코드 재사용: 이미 존재하는 C/C++ 라이브러리를 재사용하여 개발 시간을 절약하고 기능을 확장할 수 있습니다.

시스템 레벨의 기능(System-Level Functions)

정의

• 시스템 레벨의 기능: 운영체제의 핵심 기능에 직접 접근하거나 제어하는 저수준 기능을 의미합니다. 이러한 기능들은 일반적으로 시스템 콜(System Call)을 통해 접근하며, 파일 시스템, 메모리 관리, 하드웨어 제어 등과 관련된 작업을 포함합니다.

예시

• 파일 시스템 접근: 파일 생성, 읽기, 쓰기, 삭제 등의 작업을 수행합니다.

• 네트워크 통신: 소켓 프로그래밍을 통해 네트워크 인터페이스를 직접 제어하고 통신을 수행합니다.

• 메모리 관리: 동적 메모리 할당, 해제, 메모리 맵핑 등을 수행합니다.

• 프로세스 관리: 프로세스 생성, 종료, 프로세스 간 통신(IPC) 등을 제어합니다.

• 하드웨어 제어: 특정 하드웨어 장치(예: 프린터, 센서, 그래픽 카드 등)를 제어하고, 직접 상호작용합니다.

네이티브 메서드 라이브러리(Native Method Library)

JNI를 통해 호출되는 네이티브 코드 라이브러리입니다. 성능 최적화 및 하드웨어 접근을 위해 사용됩니다.

자바 네이티 인터페이스 & 네이티브 메서드 라이브러리

JNI는 Java 애플리케이션이 네이티브 메서드 라이브러리에 정의된 네이티브 코드를 호출할 수 있도록 하는 인터페이스입니다. 네이티브 메서드 라이브러리는 실제 네이티브 함수들을 포함하고 있으며, 이 함수들은 시스템 콜을 사용하여 하드웨어 접근이나 성능 최적화를 수행할 수 있습니다. Java 애플리케이션이 네이티브 메서드를 호출하면, JNI는 네이티브 메서드 라이브러리에서 해당 함수의 주소를 찾아 호출을 수행합니다.