JVM (Java Virtual Machine) 구조 상세 설명

JVM은 **자바 바이트코드(.class 파일)**를 실행하기 위한 가상 머신이에요.
구조적으로는 크게 클래스 로더, 런타임 데이터 영역, 실행 엔진, 네이티브 인터페이스로 나뉘어요.

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1️⃣ 클래스 로더 (Class Loader Subsystem)

• 역할: .class 파일(바이트코드)을 메모리로 적재해서 런타임 영역에 올림
• 동적 로딩(Dynamic Loading): 실행 중 필요한 클래스만 메모리에 로드
• 주요 단계
  1. Loading
     • 클래스 파일을 읽어 Method Area에 로드
  2. Linking
     • Verification: 바이트코드가 JVM 규격에 맞는지 검사
     • Preparation: static 변수에 메모리 할당 & 기본값 초기화
     • Resolution: 심볼릭 참조(클래스명, 메소드명 등)를 실제 메모리 주소로 변경
  3. Initialization
     • static 변수와 static 블록 실행

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2️⃣ 런타임 데이터 영역 (Runtime Data Area)

JVM 프로세스 안에서 데이터를 저장하고 관리하는 메모리 영역이에요.

📍 [공유 영역 - 모든 스레드가 공유]

1. Method Area (또는 MetaSpace, JDK 8 이후)
   • 클래스 구조, 메소드, 상수 풀, static 변수 저장
   • JDK 8 이전에는 PermGen 영역이었으나, 이후 MetaSpace로 교체 (네이티브 메모리 사용)
2. Heap Area
   • 모든 객체 인스턴스와 배열이 저장되는 영역
   • GC의 주요 대상
   • 세분화 구조
     • Young Generation
       • Eden Space: 새로 생성된 객체
       • Survivor Space (S0/S1): GC에서 살아남은 객체 이동
     • Old Generation (Tenured): 여러 번 GC를 거쳐 살아남은 장수 객체
   • Heap은 JVM 성능 튜닝의 핵심 (-Xmx, -Xms)

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📍 [스레드별 영역 - 각 스레드마다 생성]

1. PC Register (Program Counter Register)
   • 현재 실행 중인 JVM 명령어의 주소 보관
2. JVM Stack
   • 메서드 호출 시 생성되는 Frame 저장
   • Frame 구조
     • Local Variables Array: 매개변수 & 지역변수
     • Operand Stack: 연산 중간 결과
     • Frame Data: 메서드/클래스 정보, Exception 처리기 등
   • 스레드 종료 시 스택도 함께 제거
3. Native Method Stack
   • JNI (Java Native Interface)로 호출되는 C/C++ 같은 네이티브 코드용 스택

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3️⃣ 실행 엔진 (Execution Engine)

클래스 로더가 적재한 바이트코드를 실제로 실행하는 부분

1. 인터프리터
   • 바이트코드를 한 줄씩 해석 후 실행
   • 빠른 시작 가능하지만 실행 속도는 느림
2. JIT 컴파일러 (Just-In-Time Compiler)
   • 자주 실행되는 바이트코드를 기계어로 변환 후 캐시
   • 이후에는 인터프리팅 없이 네이티브 코드 실행
   • HotSpot JVM의 핵심 성능 최적화
3. Garbage Collector (GC)
   • Heap 영역의 불필요한 객체 자동 해제
   • 대표 알고리즘
     • Serial GC (단일 스레드)
     • Parallel GC (여러 스레드 병렬 수집)
     • CMS (Concurrent Mark-Sweep) → JDK 9부터 deprecated
     • G1 GC (Garbage-First) → 대용량 Heap에 유리
     • ZGC, Shenandoah → 초저지연 목적

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4️⃣ 네이티브 인터페이스 (JNI)

• Java에서 네이티브 라이브러리(C/C++)를 호출할 수 있게 하는 인터페이스
• OS API나 고성능 라이브러리 호출 시 사용
• Native Method Libraries와 연동

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⚙️ 실행 흐름 예시

[.java 파일] → javac → [.class 파일]
         ↓
    Class Loader
         ↓
   Runtime Data Area
         ↓
   Execution Engine
     ↳ Interpreter & JIT
     ↳ GC 관리
         ↓
   Native Interface
         ↓
       OS / 하드웨어

 

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📌 성능/튜닝 포인트

1. Heap 크기 조정
   • -Xmx / -Xms
2. GC 알고리즘 선택
   • 대규모 데이터 처리 시 G1GC, 저지연 필요 시 ZGC
3. Thread Stack 크기
   • -Xss 옵션
4. Metaspace 크기
   • -XX:MaxMetaspaceSize
5. JIT Warm-up 시간 고려
   • 서버 앱은 장시간 실행 시 JIT 최적화 효과 큼

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✅ 요약
JVM은

• 클래스 로더로 바이트코드를 메모리에 올리고
• 런타임 데이터 영역에서 객체와 스레드별 메모리를 관리하며
• 실행 엔진이 인터프리터 & JIT & GC를 통해 코드를 실행하고
• 필요 시 JNI로 네이티브 코드와 통신