[Java] JVM의 메모리 구성요소와 영역에 관한 고찰

서론

응용 프로그램이 실행되면, JVM은 시스템으로부터 프로그램을 수행하는데 필요한 메모리를 할당받고 JVM은 이 메모리를 용도에 따라 여러 영역으로 나누어 관리합니다. 그렇지만 여기서 여러 가지 의문이 생겼습니다. 의문은 아래와 같습니다.

1. 우리가 흔히 아는 프로세스의 메모리 영역은 Heap, Stack, Data, Text 영역으로 나뉘어져있다.
2. JVM도 하나의 Process이기에 위의 영역을 따를 것이다.
3. 그러나 JVM은 또 내부에 Runtime Data Area를 두어 6가지 영역으로 나뉜다.
4. 그렇다면 프로세스 메모리의 어느 영역에서 JVM의 6가지 영역들이 만들어지는 것일까?

정확히 알기 위해서 많은 서칭을 하였지만 대부분 JVM의 6가지 영역에만 설명하였고 제 고민을 해결해줄 레퍼런스를 찾기는 힘들었습니다. 그래서 제가 몇 안되게 찾아낸 정보를 통해 글을 써볼까 합니다.

 

본론

먼저 첫 번째 참고 글입니다.  

JVM Memory segments allocation

 

해당 게시글 작성자도 저와 똑같이  Code / Stack / Heap / Data 영역으로 프로세스 메모리가 나누어지는데 JVM은 Method area / Heap / Java Stacks / PC Registers / Native Stack 와 같은 영역으로 이루어져 있으니 위 JVM영역은 누가 할당하고 관리하는지 궁금해하는 질문입니다. 

답변에서 정확한 궁금증은 풀리지 않았지만 몇 가지 사실을 알 수 있었습니다.

1. OS는 실행 중인 Java 프로그램을 인식하지 못하고 컴퓨터에서 일반 프로그램으로 실행되는 JVM의 일부라고 생각한다.
2. Java에서의 객체 할당은 JVM에 관리되며, 이러한 객체 할당이 JVM에 의해 작동하는 유일한 영역이다.
3. JIT컴파일은 일반 OS 스레드에서 발생하며 각 Java 스택은 일반 스레드 스택이다.
4. All other memory regions act just as they would in a C program, because the JVM is a C/C++ program.
5. 4번 즉 JVM자체는 C/C++ 프로그램이기 때문에 다른 모든 메모리 영역은 C 프로그램에서와 동일하게 작동한다.

정리해보면 JVM의 스택 영역은 일반 스레드 스택임을 알 수 있으며, 오직 JVM의 Heap 영역만이 프로세스의 Heap영역과는 별게라는 점을 알 수 있었습니다.

다음은 두 번째 참고 글입니다.

Are JVM heap/stack different than virtual address space heap/stack?

 

해당 작성자도 이전 글과 질문이 비슷하긴 하지만 프로세스 메모리 영역의 Heap, Stack과 JVM의 Stack 및 Heap은 어떤 관계를 가지고 있는지 질문하는 글입니다.

"This is only true for a typical user space process. In other word this will be true for an everyday program written in c or similar, however it is not true for all programs, and definitely not true for the entire memory space."

답변은 위와 같은데 일반적으로 우리가 알고 있는 프로세스의 영역인 Heap, Stack, Data, Text라는 영역은 일반적인 사용자 공간 프로세스에만 해당한다고 합니다. 즉 C 또는 이와 유사한 언어로 작성된 일반적인 프로그램에서만 위와 같은 영역으로 구성되고 모든 프로그램들이 위와 같은 영역으로 적용된다는 점은 아니라는 것입니다.

"When a program is executed the OS allocates memory for the various segments listed, except the the heap. The program can request memory from the OS while it is executing. This allows a program to use a different amount of memory depending on its needs."

프로그램이 실행될 때는 OS는 힙을 제외하고 나열된 다양한 세그먼트에 대해 메모리를 할당합니다. 프로그램이 실행되는 동안 OS에서 메모리를 요청할 수 있습니다. 이를 통해 프로그램은 필요에 따라 다른 양의 메모리를 사용할 수 있습니다.

"Java allows program to request memory during execution using new. Memory allocated to a java program using new is referred to as memory in the java heap. One could imagine that if you where implementing a Jvm you would use malloc behind the scenes of new. This would result in a java heap within a regular native heap. In reality "serious" jvms do not do this and interact directly with the OS for memory."

Java는 new를 사용하여 실행하는 동안 메모리를 할당(요청)할 수 있습니다. 이때 new를 사용하면 Java 프로그램에 할당된 메모리를 Java Heap memory라고 합니다. 즉 일반 기본 Heap과 Java Heap이 따로 있다는 말입니다. 

이제 답변들을 요약해보자면 아래와 같습니다.

1. 꼭 모든 프로그램의 메모리 영역이 우리가 흔히 알고 있는 4가지 영역으로 무조건적으로 분배되는 것은 아니다.
2. JVM 자체는 C/C++ 프로그램이기 때문에 힙을 제외한 다른 모든 메모리 영역은 C 프로그램에서와 동일하게 작동한다.
3. 2번에서 이제 Heap 영역이 Runtime Data Area가 될 것이다.
4. Java 프로그램을 실행하게 되면 Runtime Data Area이 OS로부터 JVM 메모리 영역 안의 공간을 할당받는다.
5. 프로세스 힙 안에서 JVM 의 Runtime Data Area가 할당되는 것. 

결론: 고로 다시 돌아와 제가 궁금했던 JVM의 6가지 영역들은 Runtime Data Area안에 있고, 이 Runtime Data Area는 아래에서 보면 알겠지만 OS가 해당 메모리에게 할당해줌(그러니 해당 프로세스의 Heap)영역, 고로 프로세스의 Heap영역안에 JVM이 Runtime Data Area를 만들어 6가지 영역으로 쪼개어 사용하는 것임을 알 수 있었습니다. (물론 GC 같은 경우는 JVM의 Heap영역만 관리한다.)

위 내용까지는 확실하지 않으니, 읽으실때 이를 인지하시고 보셨으면 좋겠습니다.

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그럼 이제 JVM 구성 요소에 대해서 한번 알아보면서 이해해보겠습니다.

JVM 구성 요소

JVM의 구성 요소는 위 이미지와 같이 Class Loader, Execute Engine, 그리고 Runtime Data Area로 이루어집니다.

Class Loader	java파일 → compile → .class(바이트 코드) 파일 이렇게 생성된 .class파일들을 엮어서 JVM이 운영체제로부터 할당받은 메모리 영역인 Runtime Data Area로 적재하는 역할을 한다.
Execute Engine	메모리에 로드된 .class(바이트 코드)파일을 기계어로 번역하여 실행하는 영역을 한다. Heap 메모리 영역에 생성된 객체 중 Garbage Collector를 통해서 메모리 관리가 가능하다.
Runtime Data Area	OS에서 해당 프로세스에게 할당해주는 메모리를 JVM이 용도에 맞게 분할해서 사용한다.

여기서 Runtime Data Area를 좀 자세히 알아갈 필요가 있습니다. 이 영역은 JVM 메모리 영역으로써, OS로부터 별도의 메모리 공간을 할당받고 자바 애플리케이션을 실행할 때 사용됩니다. 크게 5가지 영역으로 나눌 수 있습니다.

JVM의 Runtime Data Areas

1. Method Area: 모든 스레드가 공유하는 메모리 영역이다. Method Area는 class, interface, Method, field, static 변수 등 바이크 코드 등을 보관한다. (공유자원)
2. Heap: 프로그램 상에서 런타임 시 동적으로 할당하여 사용하는 영역이다. class를 이용해 instance를 생성하면 Heap에 저장된다. (공유 자원)
3. Stack Area: 모든 스레드에 대해 별도의 런타임 스택이 만들어진다. 스택 영역은 공유 자원이 아니므로 스레드 안전 영역이다. (공유 자원 X)
4. PC Register: 스레드가 생성될 때마다 생성되는 영역으로 Program Counter, 즉 현재 스레드가 실행되는 부분의 주소와 명령어를 저장하고 있는 영역이다.(CPU 레지스터와 다르다, 공유 자원 X)
5. Native Method Stack: 자바 외 언어로 작성된 네이티브 코드를 위한 메모리 영역이다. 보통 C/C++ 등의 코드를 수행하기 위한 스택이다. Native Method Library와 상호작용하고 Execution Engine에 필요한 라이브러리를 제공한다. (공유 자원 X)

 

마치며..

JVM 구성요소에 관해서는 워낙 정보가 많기에 정확하다고 생각하지만, 본문 젤 처음의 의문에 대한 답은 제가 발 번역을 해가며 이해한 것이기 때문에 정확하지 않을 확률이 높습니다. 따라서 무조건 적으로 맞다고 생각하지 마시고 혹시 정확한 정보를 알고 계시는 분은 댓글 좀 남겨주셨으면 좋겠습니다..