JVM 기본 구조(2)

JVM 기본 구조

 

 

 

클래스 로더

• .java 파일을 컴파일해서 얻는 .class class을 메모리 로드
• 로드할 클래스가 여럿이면 Main() 메서드를 포함하는 클래스를 우선 로드
• 로드, 링크, 초기화 단계를 거침

 

(JVM 내장) 클래스 로더

1.부트스트랩 클래스 로더

 • java.lang, java.net, java.util, java.io 같은 표준 Java 패키지 로드

 • rt.jar 파일에 들어있는 핵심 라이브러리

 

2. 확장 클래스 로더

 • $JAVA_HOME/ jre / ext

 • 확장 라이브러리 클래스 로드

 

3. (응용 프로그램) 클래스 로더

 • (classpath , cp) 클래스 경로에 있는 클래스 로드

 • 일반적으로 개발자가 작성한 코드를 포함하는 클래스

 • 로더가 클래스 이름을 찾지 못할 경우

   NoClassDefFoundError, ClassNotFoundExecptionClassNotFoundExecption 에러 발생

 

클래스 링크

• 클래스 로드 후 링크 절차를 수행하며 클래스간 의존관계를 분석하고 함께 링크
• 확인 : .class 파일자체에 대한 구조 정합성 검증 실패 시 VerifyExceptionVerifyException에러 발생
• 준비 : 정적 필드에 메모리를 할당하고 기본 값으로 초기화. 생성자 호출 전이며 일단 0 초기화

 

 

JVM 클래스 초기화

• 클래스 생성자 호출
• 정적 필드에 00이 아닌 초깃값을 기술할 경우 실제 값으로 초기화
• 멀티스레드 환경을 고려하지 않을 경우 클래스 초기화 중 오류발생 가능

 

 

JVM Execution engine

 

• Interpreter

  • 바이트 코드 명령을 실행
  • 메소드가 여러 번 호출되면 매번 번역

 

• JIT compiler

• Garbage collector

 

 

JIT(Just In Time) compiler

• Java bytecode byte code를 실제 기계어로 번역

• JVM이  반복되는 코드를 발견할 경우 효율을 높일 목적으로 사용

   • Intermediate code generator

   • Code optimizer

   • Target code generator

   • Profiler (Hotspot)

• 실행 기록을 모아 자주 사용되는 코드에 주로 적용 반복문

• 프로그램을 오래 실행 할 수록 성능개선에 유리

 

 

JVM Runtime data area

 

 

Method area

• 상수 풀

• 필드

• 메서드 코드 등이 저장되는 영역

 

 

Heap area

• 클래스 인스턴스들이 저장되는 런타임 데이터 영역으로 GC가 관리

• new 연산으로 생성된 모든 클래스 인스턴스가 저장되는 영역

• 멀티스레드 환경에서 Heap 영역은 모든 스레드가 공유 동기화 필수

 

 

Stack area

• 각스레드마다 별도의 스택을 가짐

• 메서드 호출 시 스택 프레임이 증가하며 각 반환 시 프레임 자동 소멸

• 지역변수, 피연산자, 스택 프레임 데이터 등 세 가지 요소로 구성

 

Stack area - 지역변수

• 지역변수들을 배열 형식으로 저장관리

• 바이트 코드 수준에서 각 지역변수에 대한 접근은 배열의 인덱스로 대체

• 배열의 최대 크기는 컴파일 타임에 결정 (C/C++) 와 비슷

 

Stack area - 피연산자와 프레임

• 스택기반 머신 형태로 작동하도록 구성

• 연산의 중간결과도 스택에 저장

• 스택의 최대 크기는 컴파일 타임에 결정

• 메서드에 대한 모든 심볼정보 및 예외처리 관련 catch 블록 정보 등은 프레임 데이터 영역 사용

 

 

PC(Program Counter) register

• 일반 CPU( EIP register) 처럼 Program CounterCounter를 가지며 같은 역할 수행

• 스레드 마다 별도 문맥을 가질 수 있도록 개별 PC register register를 가짐

 

Native method 스택

• C/C++ 같은 Native 언어로 개발된 메서드를 지원하기 위한 스택

• 스레드 마다 별도로 제공

• JNI (Java Native Interface)

 

JVM heap 영역

java 8

• Metaspace (Java 8)

    • 로드되는 클래스, 메소드 등에 관한 메타 정보 저장 자동확장 가능

    • Java heap이 아닌 Native 메모리 영역 사용

    • 리플렉션 클래스 로드 시 사용 (Spring)

 

우리가 request 가 오면 그 코드들을 클래스에 넣어서 구현하는데 이 때 자동으로 class를 생성도 해야 할 것이고 나중엔 GC를 구동을 시키기도 해야 한다.

이 과정에서 쓰이는 것이 Reflection 이다.

 

이 때 생각해 봐야 할 것.

만약 서비스 개발을 했는데 어떤 특수한 이유 때문에 heap 영역이 Metaspace 영역보다 더 커져야 할 수도 있다.

이걸 계산하는 기준이 request 인데, 보통 "단위 시간" 이다.

단위시간동안 리퀘스트가 얼마나 오냐, 그로 인해 TPS(Transaction per sec)가 얼마나 발생하느냐.

이런 계산 하에 메모리를 잡고 문제를 해결한다.

 

• Permanent generation (Java 7)

    • 로드되는 클래스, 메소드 등에 관한 메타 정보 저장 고정 크기

    • 리플렉션 클래스 로드 시 사용 (Spring)

 

• New (Young generation) 

    • 새로 생성한 개체가 사용하는 영역

    • Minor GC 대상 영역

    • Eden, From, To 요소로 구성

1) 인스턴스를 최초 생성하면  Eden 쪽에 생겨났다가 From 이나 To로 이사를 간다.

2) 남길 얘만 정하고 나머지는 전부 To로 가고 From은 flush()해서 비운다.

 

 

 

• Eden
    • 객체 생성 직후 저장되는 영역
    • Minor GC 발생 시 Survivor 영역으로 이동

    • Copy & Scavenge 알고리즘

 

• Survivor 0, 1

    • Minor GC 발생 시 Eden, S0 S0에서살아남은 객체는 S1로 이동

    • S1에서 살아남은 객체는 Old 영역으로 이동

    • age bit 사용 참조계수

 

• Old (Old generation)

    • Young generation 영역에서 소멸하지 않고 남은 개체들이 사용하는 영역

    • Full GC 발생 시 개체 회수 => 지연 발생

    • Mark & Compact 알고리즘

 

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JVM Garbage collector

• Heap 영역에서 사용되지 않는 객체 메모리 를 식별하고 회수하는 자동화된 메모리 관리 체계

 

• Mark & Sweep + Compact

    • Mark : 사용되지 않는 개체 식별

    • Sweep : 식별한 개체 제거

    • 필요 시 Compact 실시

 

• Heap 영역에서 참조되지 않는 개체를 수집 및 제거해 메모리 회수

• Minor/Major(Full) GC

• GC 수행 시 프로그램 일시 정지

    • stop-the-world

 

• GC 속도

    • Minor GC가 보통 11초 이내 완료

    • Full GC는 수 초 이상 진행되기도 하며 이 지연 때문에 DB 연결이 끊기는 등 운영문제 가 발생할 수 있음

 

 

살아남는 객체를 선정하는 방법

• GC는 객체 참조의 유효(Reachable) 함과 그렇지 않음(Unreachable) 을 근거로 대상 식별

• GC Roots

    • Stack 데이터 => 의존성을 만든다.

    • 메서드 static 데이터 => old를 만들기도 한다.

    • JNI로 만들어진 데이터

 

Java Heap Data