JVM의 개념과 내부 구조 정리

JVM (Java Virtual Machine)

JVM은 `.java` 소스파일(=원시코드)을 컴파일한 결과물인 `.class` 파일(=바이트코드)을 읽어서,

운영체제와 하드웨어에 맞게 실행할 수 있도록 해주는 가상 머신입니다.

Java는 운영체제(OS)에 종속적이지 않다는 특징이 JVM에 의해서 동작됩니다.

JVM 덕분에 자바는 한 번 작성한 코드를 윈도우, 리눅스, 맥 등 다양한 환경에서 같은 코드로 실행할 수 있습니다.

 

JVM의 주요 역할

역할	설명
바이트코드 실행	컴파일된 `.class` 파일을 읽고 실행
메모리 관리	객체 생성/삭제, 스택/힙 등 메모리 구조를 관리
GC (Garbage Collection)	사용하지 않는 객체를 자동으로 정리해 메모리 누수를 방지
운영체제 독립성 보장	동일한 바이트 코드를 OS에 상관없이 실행할 수 있게 함
보안 및 예외 처리	클래스 로딩과 실행 시 보안 검사를 수행하고 예외 상황을 처리

 

Java 코드 실행 단계별 용어

용어	설명
원시 코드 (원시 프로그램) = 소스 코드 (source code)	사람이 작성한 컴파일 전 코드 (`.java`)
바이트코드 (bytecode)	자바 컴파일러가 생성한 JVM용 중간 코드 (`.class`)
기계어 (machine code)	CPU가 직접 이해하는 2진수 코드(바이너리 코드) (JVM은 이걸 대신 실행해줌)

 

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JVM의 구성 요소

• `Java Compiler(javac)`는 소스 코드를 `.class` 파일로 컴파일
• 이후 `Class Loader`가 클래스 파일을 JVM 메모리로 로딩
• `Execution Engine`은 인터프리터 또는 JIT 컴파일러를 통해 바이트코드를 기계어로 변환하여 실행
• `Garbage Collector`는 힙 메모리 영역에서 사용하지 않는 객체를 정리

 

1. Class Loader

• `.class` 파일을 메모리로 로딩하여 JVM 내부에서 사용할 수 있도록 함
• 로딩 → 검증 → 준비 → 분석 → 초기화 단계로 동작
  • 자바 클래스 파일을 메모리에 로딩한 뒤, 
  • JVM이 실행할 수 있도록 연결(Linking)과 초기화(Initialization) 작업을 수행

 

2. 메모리 구조 (Runtime Data Area)

JVM은 실행 시 메모리를 여러 영역으로 나누어 관리합니다.

• `PC 레지스터`, `JVM Stack`, `Native Method Stack`은 스레드마다 별도로 생성

영역	설명
Program Counter (PC) Register	현재 실행 중인 바이트코드 명령의 주소를 저장
JVM Stack	메서드 호출 시 생성되는 스택 프레임 저장 지역 변수, 연산 중간 결과 등을 포함
Native Method Stack	네이티브 코드를 실행할 때 사용하는 스택

❓ Native Code
운영체제에서 바로 실행할 수 있는 기계어 코드 (C/C++ 기반 코드)

 

• `Heap`, `Method Area`, `Runtime Constant Pool`은 모든 스레드가 공유하는 영역
  

영역	설명
Heap	객체 인스턴스 저장 공간 GC의 주요 대상이며 모든 스레드가 접근
Method Area (= Class Area = Static Area)	클래스 정보를 처음 메모리 공간에 올릴 때 초기화되는 대상을 저장하기 위한 메모리 공간 클래스 정보, 메서드, static 변수 등 공통 데이터 저장
Runtime Constant Pool	상수와 메서드/필드 참조 정보를 저장하는 공간 Method Area 내부에 포함됨

 

3. 실행 엔진 (Execution Engine)

바이트코드를 실제 기계어로 변환해 실행하는 역할:

• 인터프리터
  • 자바 바이트 코드를 명령어 단위로 읽어서 실행
  • 한 줄씩 해석 -> 느림
• JIT (Just-In-Time)
  • 반복적으로 실행되는 메서드(핫스팟)를 감지해 바이트코드를 기계어로 변환하고,
  • 이후에는 해당 부분을 인터프리팅 없이 직접 실행
  • -> 성능 최적화

 

4. GC (Garbage Collector)

Heap에 존재하는 사용하지 않는 객체를 자동으로 수거

 

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JVM과 JRE, JDK의 차이

구성 요소	설명
JVM (Java Virtual Machine)	바이트코드를 해석하고 실행하는 가상 머신
JRE (Java Runtime Enviroment)	JVM + 실행에 필요한 라이브러리 패키지(`.jar`)
JDK (Java Development Kit)	JRE + 개발 도구(`javac`, `javadoc`, `jarsigner` 등)

JDK ⊃ JRE ⊃ JVM

 

 

참고: https://doozi0316.tistory.com/entry/1%EC%A3%BC%EC%B0%A8-JVM%EC%9D%80-%EB%AC%B4%EC%97%87%EC%9D%B4%EB%A9%B0-%EC%9E%90%EB%B0%94-%EC%BD%94%EB%93%9C%EB%8A%94-%EC%96%B4%EB%96%BB%EA%B2%8C-%EC%8B%A4%ED%96%89%ED%95%98%EB%8A%94-%EA%B2%83%EC%9D%B8%EA%B0%80