F007 - JVM : Memory Architecture

✍️ 두 번째 멘토링 시간을 가지면서 Reference Type과 String 클래스에 관한 이야기를 나누다
H님께서 Garbage Collector와 JVM 키워드를 꺼내셨고, 이에 대한 멘토님의 갑작스러운 질문에 당황했었다.

1. 자료형에 대해 공부하면서 JVM 메모리 구조에 대해 조금 더 공부하고 싶어졌다.
2. 멘토님 질문에 당황하던 내 자신이 부끄러웠다. 부끄럽지 않은 개발자가 되기 위해서.

그래서 이번 시간에는 먼저 Java 컴파일 시,
JVM 이 어떻게 작동하고 어떻게 메모리를 할당받아 사용하는지 알아보는 시간을 가져보자.

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프로그램이 실행되는 과정을 톺아보자

Java 파일이 실행되기 위해서는 컴파일 단계와 런타임 단계로 나뉘어 지는데,
컴파일 단계에서는 Java Compiler(명령어 javac)를 통해 Java Source Code 를 .class 파일(이하 클래스 파일)로 컴파일한다.
클래스 파일은 JVM이 우리가 작성한 코드를 해석하기 위해 만들어진 파일로 Java Byte Code로 이루어져 있는데, 해당 과정에서 String 클래스의 + 연산을 StringBuilder 클래스로 변환(Java 8 이후)하는 등 많은 부분에서 Java Compiler가 우리의 코드에 간섭하여 알맞게 수정하는 과정을 거쳐 만들어진다.
이렇게 클래스 파일로 컴파일 되었다면 Java Runtime Environment(이하 JRE)에 속한 JVM을 통해 클래스 파일을 읽고, 이를 설정된 메모리에 할당한다.
이렇게 Java 프로그램은 JVM에 의해 메모리에 할당되어 실행되는데, 이는 각 OS에 맞는 JDK 혹은 JRE만 설치해주면 OS에 종속되지 않고 Java 프로그램을 실행 할 수 있다는 것을 잊지 말아야 한다.

JVM Memroy Architecture

Java 프로그램을 실행하면 어떻게 메모리에 올라가는지 그림과 대략적인 설명을 통해 머릿속에 집어 넣었다.
이제 내가 작성한 코드들이 어떻게 메모리에 할당되는지 공부해보자.
먼저 JVM에는 3개의 영역이 존재하는데 각각의 역할이 다르다

📌 Class Loader - Runtime Data Area에 메모리를 할당하기 위해 클래스 파일을 읽어들인다.
📌 Runtime Data Area - 실질적으로 Java 프로그램을 실행하기 위해 운영체제로 부터 메모리를 할당받아 컨트롤 하는 영역이다.
📌 Execution Engine - Runtime Data Area 에 배치된 바이트코드들을 실행하는 영역이다. 해당 영역에서 실질적으로 언어를 번역하는 작업을 수행한다.

각 영역에 또 여러가지로 세분화되어 수행하는 것이 달라 더 깊게 들어갈 수 있다.
하지만 오늘은 Runtime Data Area 영역에서 바이트 코드가 어떻게 메모리에 할당되는지, 할당된 메모리를 어떻게 관리하는지가 주 목적이다.

Runtime Data Area

해당 영역은 앞에서 간단히 서술한 것 처럼 우리가 만든 클래스, 메소드 등을 메모리 상에 적절히 할당하는 영역이다. 이전 시간에 Primitive Type과 Reference Type 공부를 통해 기본 자료형은 Stack 메모리에 값과 함께 할당되어 해당 변수가 속한 마지막 스코프가 실행될 때 Stack 메모리에서 pop되는 것과 참조 자료형은 변수가 Stack 메모리에 생성되지만 값이 그대로 저장되는 것이 아니라 Heap 메모리에 할당된 메모리 주소값을 저장하는 것을 알게 됐다.
그렇다면 Runtime Data Area에는 여러가지 이름을 가진 메모리 영역이 존재하는데 우리는 과연 Stack과 Heap 메모리만 알면될까?
리터럴로 선언된 String은 어떤 메모리 영역에 할당되고, static 접근 제어자가 선언된 변수나 상수들은 어디에 할당되며, 클래스와 메소드의 정의는 어디에 존재하고 있을까?

🔎 Stack Memory
각 스레드마다 하나씩 할당되는 메모리 중 하나이며, 메모리에 할당하는 크기를 변경 할 수 있다.
메소드 호출 시, 선언된 지역 변수나 매개 변수 등이 해당 영역에 할당되며 기본 자료형의 경우 선언된 값이 저장되고 참조 자료형은 Heap Memory에 할당된 메모리 주소값을 저장한다.
각 변수들이 속한 마지막 스코프가 실행될 때 Stack 메모리에 쌓인 변수들은 모두 사라진다.
🔎 PC Register
Program Counter라고도 불리며 **각 스레드마다 하나씩 할당되며, 자신이 속한 스레드에서 어떤 부분을 어떤 명령으로 실행할 것인지를 기록하는 영역으로 현재 수행 중인 JVM 명령의 주소를 갖는다.
🔎 Native Method Stack
Java가 아닌 언어로 작성된 API나 프로그램과의 통합을 수월하게 하기 위해 존재하는 영역으로, 애플리케이션에서 Native Method가 호출되어 실행되면 기존의 Java Method는 남겨두고, 호출된 Native Method를 수행한다. 호출된 Native Method의 수행이 끝나면 기존에 수행 중이던 Java Method가 이어서 수행되는 것이 아니라 해당 메소드가 새로 생성되어 다시 작업을 수행한다. 해당 영역에 저장되는 메소드는 String 클래스의 .inter() 메소드가 대표적이다.
🔎 Heap Memory
모든 스레드에 공유되는 메모리 영역이며, 배열(Array)와 인스턴스만이 할당되는 영역이다.
해당 영역은 GC에 의해 메모리 최적화가 수행되며 Heap Memory 내의 구조에 따라 최적화 되는 시기나 방법이 다르다.
String Constant Pool 영역이 Heap Memory에 할당되어 있으며, 이는 리터럴로 선언된 String 객체가 String Constant Pool 영역에 할당되고, 같은 문자열을 가지는 리터럴로 선언된 String 객체는 해당 메모리 주소를 공유한다.
🔎 Method Area
모든 스레드에 공유되는 메모리 영역이며, JVM이 Byte Code를 통해 읽은 클래스와 인터페이스 등의 정보가 저장되는 영역으로, 생성자와 메소드 스코프 내에 선언된 코드 등도 함께 저장된다.
프로그램 실행 중 메소드 호출에 의해 클래스가 사용되면 JVM은 해당 클래스의 Byte Code를 읽고 Method Area에 저장한다.
해당 영역에 저장되는 종류를 살펴보자.

• Class / Interface Information (클래스, 인터페이스 등의 정보)
• Runtime Constant Pool (클래스, 인터페이스 등에 속한 모든 상수 정보)
• Field Information (인스턴스 변수에 대한 정보 > 타입이나 접근 제어자 등)
• Method Information (생성자와 메소드에 대한 정보 > 이름, 매개 변수, 리턴값, 접근 제어자 등)
• Class Variable (static 선언된 클래스 변수)

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💭 2020년 12월, 백기선님 온라인 스터디를 하며 작성했던 내용을 보고 경악을 금치 못했다.오늘 정리한 내용과 비슷한 내용인데 모든 내용이 두루뭉실하게 떠 있다.

아무리 읽어도 '그래서 왜 이렇게 하는건데?' 라는 의문이 떠나지 않았다.그래서 이번에 제대로 정리하려고 했으나, 집중력 부족으로 이만 마무리하려고 한다.

글 작성 초반에는 나름 내가 이해한 방식대로 최대한 요점에 맞춰 작성해보려고 했으나, 깊게 파고들면 파고들수록 이해의 한계 때문인지 몇몇 부분은 머릿속에 그리지 못한 것 같다.

JVM 구조는 한참을 공부해도 모자르겠구나 라는 것을 느꼈고, 일하면서도 코드 짤 때 이렇게 코드를 쓰면 메모리에서 이렇게 작동하지 않을까라며 상상해보지만 정확한 이론이 바탕이 되지 않으니 뜬구름 잡는 느낌이다.

그래도 Java 메모리 구조에 한 걸음 나아간 것 같아서 기쁘다!
아직 부족한 부분은 파란색 형광펜 처리했으니 꼭 다시 읽어보기로 약속!

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참고 문서

JVM의 Runtime Data Area

JVM이란 무엇인가

[JAVA] Static Keyword 와 Method Area (메소드 영역)