# Java Vertual Machine

프로그램을 실행하기 위해 물리적 머신 (컴퓨터) 과 유사하게 만든 머신을 소프트웨어로 구현한 것으로
실제로 Java Byte Code 를 실행할 수 있는 프로세스 가상 머신 이다.

OS 별로 종류가 다른데 MS Window & Linux 등의 환경에서는 HotSpot VM, IBM AIX 의 경우에는 IBM J9 이 사용된다.

# 특징

• 자바의 가상머신으로 OS 에 종속적이지 않아 독립적으로 운영된다.
• GC (Garbage Collection) 은 사용자에 의해 명시되지 않으며 자동으로 메모리 관리가 된다.

프로그램이 실행되면 JVM 은 OS 로부터 프로그램이 필요로하는 메모리를 할당 받고, JVM 은 이 메모리를 용도에 따라 여러 영역으로 나누어 관리 한다.

# JVM 외부

Java 로 작성한 코드는 Class Loader 가 컴파일된 Java Byte Code 를 Runtime Data Areas 에 로드하고 Excution Engine 이 Java Byte Code 를 실행

# Compile Running

1. 소스코드를 작성
2. Compiler 는 JAVA 소스코드를 이용하여 클래스 파일을 생성
3. 컴파일된 파일은 JVM (Java Virtual Machine) 이 인식 가능한 바이너리 파일로 변환
4. JVM 은 클래스 파일의 바이너리 코드를 해석하여 프로그램을 실행
5. 수행 결과가 컴퓨터에 반영

# Class Loader

자바는 Runtime 시에 Class 를 로드하고 링크하는 Dynamic Loading 특징 이 있다.

이 Dynamic Loading 특징을 담당하는 부분이 Class Loader 이다.

Class Loader 는 로드된 클래스를 보관하는 Namespace 를 갖는데,
이미 로드된 클래스 인지 확인하기 위하여 Namespace 에 보관된 FQCN 을 기준으로 클래스를 찾는다.

Class Loader 의 대표적인 역활은 사용자가 작성한 Java Byte Code 를 JVM 메모리상에 올려주는 역활을 한다.

# 특징

클래스 로더는 다음과 같은 특징이 있다.

• Hierarchical (계층 구조)
  • 클래스 로더끼리 부모 <-> 자식 관계를 이루어 계층 구조로 구성된다.
  • 최 상의 클래스 로더는 부트스트랩 (Bootstrap Class Loader) 클래스 로더이다.
• Delegate Load Request (위임 모델)
  • 계층 구조를 기반으로 클래스 로더끼리 로드를 위임하는 구조로 동작 한다.
  • 클래스를 로드할 때 먼저 상위 클래스로더를 확인하여 존재하면 해당 클래스를 사용하고 없으면 요청 받은 클래스 로더가 클래스를 로드한다.
• Have Visibility Constraint (가시성)
  • 하위 (자식) 클래스 로더는 상위 (부모) 클래스 로더를 찾을수 있지만 그 반대의 경우 (부모 -> 자식) 은 있을 수 없다.
• Cannot unload Classes (언로드 불가)
  • 클래스 로더는 Unload 기능을 하지 않는다. (Unload 는 GC 자동으로 함)

# 요청 처리

Class Loader 가 Class Load 를 요청 받으면, 아래 순서대로 검색을 한다.

Bootstrap Class Loader 까지 확인해도 없으면 요청 받은 클래스 로더가 파일 시스템에서 해당 클래스를 찾음

# Runtime Data Areas

Class Loader 에서 로드해준 데이터를 보관하여 애플리케이션을 수행한다.
이 수행 작업시에 사용되는 저장 및 참조로 하는 메모리 영역이다.

# Method Area

• 모든 Thread 가 공유하는 메모리 영역
  • class interface method field static valuable byte code 등을 보관
• 임포트된 클래스가 로드되는 영역

# Heap Area

• 프로그램 상에서 데이터를 저장하기 위해 동적으로 할당하여 사용 하는 메모리 영역
  • 실제로 Runtime 시 동적으로 할당하여 사용하는 영역
• 자바 프로그램은 new 연산자를 사용하여 객체를 동적으로 생성
  • Method Area 에 로드된 클래스만 생성 가능
  • class 를 이용하여 instance 를 생성하면 해당 영역에 저장하여 사용
• 여러 Thread 가 이 영역을 공유 한다.
• 이 영역은 GC (Garbage Collector) 를 통해서만 메모리 해제가 가능 하다. (GC 의 실제적인 대상)
• Method 영역이 클래스 정보를 참고하여 인스턴스를 생성하는 곳 이다.

# Stack Area

• Method 가 호출될 때마다 Stack Frame 이라는 데이터 영역이 생성하여 구성
  • Method 에 사용되는 Thread 의 수행 정보를 Stack Frame 을 통해서 저장
  • Thread 가 시작될때 생성하며, Thread 별로 생성되기 때문에 다른 Thread 는 접근 할 수 없다.
• Method 의 정보, Local Valuable, Argument 등의 연산 중 발생되는 임시 데이터 등이 저장 된다.
• Method 수행 되는 동안만 사용되며 메소드의 수행이 끝나면 필요 없게 된다.
• Method 가 호출될 때는 필요로하는 변수를 Stack 에 저장 하고, Method 실행이 끝나면 Stack 을 반환 한다.
• 실행중인 Thread 에 따라 각각 구성 하게 된다.

# PC Register

• 실행중인 각 Thread 는 별도의 PC Register 를 가지며, 명령이 실행되면 현재 실행중인 명령의 주소를 유지한다.

# Native Method Stack

• JAVA 외의 언어로 작성된 네이티브 코드들을 위한 Stack
  • JNI (Java Native Interface) 를 통하여 호출되는 C/C++ 등의 코드를 수행하기 위한 Stack
• 애플리케이션에서 Native Method 를 호출하게 되면 내부에 Stack Frame 을 생성하여 Push 한다.
  • JNI 를 이용하여 JVM 내부에 영향을 주지 않기 위함
  • Native Method Stack 을 실행할때는 JVM 을 거치지 않고 바로 수행한다.

# Thread 마다 하나씩 생성

• PC Register
• JVM Stack
• Native Method Stack

# Thread 끼리 공유

• Heap Area
• Method Area
• Runtime Constant Pool

# Excution Engine

Class Loader 를 통하여 JVM 메모리상에 배치되어 있는 바이트 코드를 Excution Engine 에 의해 실행된다.

Excution Engine 는 Java Byte Code 를 명령어 단위로 읽어서 실행한다. (CPU 가 기계어 & 명령어 를 하나씩 읽어서 실행하는 것 과 비슷하다 )

Java Byte Code 의 각 명령어는 1 Byte 의 OpCode 와 추가 피 연산자로 이루어져 있으며, 실행 엔진은 하나의 OpCode 를 가져와서 피 연산자와 함께 작업을 수행한 다음, OpCode 를 수행하는 식으로 동작

Java Byte Code 는 기계어에 가깝기 보다는 비교적 인간이 보기 편한 행태로 기술한다.

Excution Engine 는 이와 같이 바이트 코드가 실제로 JVM 내부에서 기계가 실행할 수 있는 형태로 변경

최초의 JVM 은 Interpreter 방식으로 수행되었다.

이를 개선하기 위해 JIT Compiler 를 도입하여 개선을 한다.

# JIT (Just In Time) Compiler

Interpreter 방식으로 실행하다 적절한(?) 시점에 Byte Code 전체를 Compile 하여 Native Code 로 변경하며 이후에는 해당 메서드를 더 이상 Interpreting 하지 않고 Native Code 로 직접 실행하는 방식

Native Code 를 실행하는 것이 명령어 단위로 Interpreting 하는것보다 빠르며, Native Code 는 내부 캐시에 보관하기 때문에 한번 Compile 한 코드는 계속 빠르게 수행

JIT Compile 과정은 Byte Code 를 Interpreting 하는것보다 많은 비용이 발생하여, 만약 한번만 실행되는 코드라면 Compile 하지 않고 Interpreting 하는것이 훨씬 유리하다.

내부적으로 해당 Method 가 얼마나 자주 수행되고 체크하여 일정 정도의 수준이 넘을때만 Compile 수행

# finalize Method

객체가 소멸될때 호출되는 메소드
일반적으로 GC 에서 객체 메모리를 해지할때 호출되므로 사용이 권장 되지 않는다.