[Java] Hotspot JVM 맛보기

이번 포스팅은 JVM에 대해 간단하게 정리한 포스팅 입니다.
각 모듈에 대한 자세한 정보는 다음 포스팅에서 다루겠습니다 !

Hotspot JVM

Hotspot JVM은 JVM 구현의 일종이으로 높은 확장성과 성능을 제공한다. 자바 1.3 버전부터 기본 VM으로 사용되어 왔기 때문에 현재 운영되는 대부분의 자바 애플리케이션은 Hotspot 기반의 VM 이라고 볼 수 있다. Hotspot VM에는 런타임시 동적으로 최적화를 수행하는 JIT가 포함되어 있다. JIT 뿐만 아니라 다음과 같은 다양한 기능을 제공한다.

- GC를 이용하여 자바의 Heap 메모리를 효율적으로 관리
- 프로파일링, 모니터링 및 디버깅 도구
- 병렬 컴파일을 지원하는 컴파일러 인터페이스
- 네이티브 스레드 기반의 선점형 멀티스레딩
- 초고속 스레드 동기화
- VM 런타임

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Hotspot JVM 구조

Hotspot JVM는 크게 Class Loader, Runtime Data Area, Execution Engine으로 구성되어 있다.
여기서 세부 항목인 Heap, JIT Compiler, Garbage Collection은 성능과 관련된 JVM의 주요 구성요소이다.

ClassLoader

클래스로더는 JRE의 핵심 구성요소로 런타임 동안 자바 클래스를 로딩, 링크, 초기화 절차를 거쳐 JVM에 동적으로 로드하는 역할을 한다. 일반적으로 클래스들은 한번에 모두 로딩되지 않고 애플리케이션이 필요로 할 때 로딩한다. 또한 클래스로더는 다음과 같은 세 가지 원칙을 따른다.

1. Delegation

• 클래스 로딩 요청을 상위 클래스 로더에게 전달하는 것. 상위 클래스에서 클래스를 찾거나 로드하지 않는 경우에만 하위 클래스 로더가 클래스를 로드한다.

2. Visibility

• 하위 클래스 로더는 상위 클래스 로더가 로드한 모든 클래스를 볼 수 있다. 그러나 부모 클래스로더는 자식 클래스 로더가 로드한 클래스를 볼 수 없다.

3. Uniqueness

• 클래스는 한번만 로드할 수 있다. 상위 클래스에서 이미 로드한 클래스를 하위 클래스로더가 다시 로드할 수 없다.

Runtime Data Area

Runtime Data Area는 JVM이 실행 중에 사용되는 다양한 데이터 영역을 정의한다. 데아터 영역 중 일부는 JVM 시작시 생성되고 JVM이 종료될 때만 소멸된다. Runtime Data Area는 스레드가 공유하는 영역과 공유하지 않는 영역으로 나눌 수 있다.

1. 스레드 공유 데이터 영역

• Heap and Direct Memory, Method Area
• 해당 영역은 JVM 시작 시 생성되고 모든 스레드에서 공유한다.
• GC는 Heap 영역에서만 발생한다.

2. 스레드가 공유하지 않는 데이터 영역

• PC Register, JVM Stack, Native Method Stack
• 해당 영역은 스레드가 생성될 때 생성되고 해당 스레드에서만 사용된다.
• 여러 스레드가 실행 중인 경우 이러한 데이터 영역의 여러 복사본이 생성된다.

Execution Engine

실행엔진(Execution Engine)은 로딩된 클래스의 메서드들에 포함된 모든 인스트럭션 정보를 실행한다. 이때 바이트코드로 작성되어 있는 인스트럭션 정보를 OS가 읽을 수 있는 형태(기계어)로 변환해야 하는데, 실행엔진은 바이트코드를 한 줄마다 읽으며 변환하는 작업을 거친다. 실행엔진은 Java 코드 실행 뿐만 아니라 최적화, 메모리관리 또한 담당한다.

Java가 OS에 독립적일 수 있는 이유는 이처럼 런타임 시에 바이트코드를 기계어로 변경하기 때문이다. 실행 엔진은 앞서 소개한 최적화, 메모리 관리, 실행 등을 담당하는 세 가지 구성 요소가 포함되어 있다.

1. 인터프리터

바이트 코드를 읽고 기계어로 변환하여 순차적으로 실행한다. 인터프린터가 매번 동일한 바이트코드를 여러번 변환하는 것은 성능을 저하시키는 원인 중 하나이기 때문에 이러한 문제를 해결하기 위해 JIT 컴파일러가 도입되었다.

2. JIT(Just In Time)

인터프린터의 단점을 보완하기 위해 도입된 컴파일러이다. JIT 컴파일러의 주요 목적은 성능을 향상시키는 것이다. 모든 코드는 첫 실행시 인터프리터에 의해서 시작되고, 해당 코드가 자주 호출되면 컴파일할 대상이 된다. 해당 메서드가 정상적으로 해석되면 JIT 컴파일러가 수행 카운터를 증가시킨다. JIT 컴파일러는 수행 카운터와 백에지 카운터 값으로 컴파일할 대상을 정하기 떄문에 수행 카운터가 높거나 백에지 카운터가 높은 메서드를 우선적으로 네이티브 메서드로 변환한다. JIT 컴파일러에 의해 변환된 메서드는 다시 호출될 때 변환 과정을 거치치않고 바로 실행되기 때문에 성능이 향상된다.

간단하게 설명하면 자주 호출되는 메서드(Hotspot)를 우선적으로 컴파일한다.

3. GC(Garbage Collection)

GC(Garbage Collection)는 메모리(heap)를 관리하는 자바 프로그램이다. 런타임에 참조되지 않는 객체의 메모리를 회수하기 때문에 자바 메모리를 효율적으로 관리할 수 있다. 메모리를 GC가 관리하기 때문에 개발자는 메모리를 할당하거나 해제하는 로직을 작성할 필요가 없다. 추가로 GC는 항상 백그라운드에서 실행된다.

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Reference

Hotspot

• https://www.tuning-java.com/195
• https://velog.io/@aki/HotSpot-JVM
• https://www.oracle.com/java/technologies/whitepaper.html
• https://velog.io/@roo333/Java-Garbage-Collection-Basics
• 자바 성능 튜닝 이야기 :: story.16 JVM은 어떻게 구동될까?

ClassLoader

• https://tecoble.techcourse.co.kr/post/2021-07-15-jvm-classloader/
• https://docs.oracle.com/javase/7/docs/api/java/lang/ClassLoader.html
• https://joomn11.tistory.com/14
• https://www.javatpoint.com/classloader-in-java

Runtime Data Area

• http://www.herongyang.com/JVM/Data-Area-What-Are-Runtime-Data-Areas.html
• https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/jvms-2.html

Execution Engine

• https://www.geeksforgeeks.org/execution-engine-in-java/
• https://joomn11.tistory.com/17