자바 가상 머신 (JVM)

자바 가상 머신(JVM, Java Virtual Machine)은 컴파일된 바이트코드(bytecode)를 로딩하고 검증한 뒤 실행하는 가상의 컴퓨터로, 자바 프로그램과 운영체제 사이에서 실행 환경을 제공한다. 클래스 로더(Class Loader), 런타임 데이터 영역(Runtime Data Area), 실행 엔진(Execution Engine)의 세 축으로 구성되며, 메모리 관리와 가비지 컬렉션(Garbage Collection)까지 책임진다. 한 번 작성하면 어디서나 실행된다는 자바의 이식성은 각 운영체제에 맞게 구현된 JVM이 동일한 명세를 따르기 때문에 성립한다.

JVM, JRE, JDK의 관계

JVM은 바이트코드를 실행하는 엔진이고, JRE(Java Runtime Environment)는 JVM에 표준 라이브러리를 더한 실행 환경이며, JDK(Java Development Kit)는 JRE에 javac 컴파일러와 javap, jcmd 같은 개발 도구를 더한 개발 키트다. Java 11부터는 JRE가 별도 배포되지 않고 JDK로 통합되었으며, 필요하면 jlink로 맞춤 런타임을 만드는 방식이 권장된다. 오라클의 핫스팟(HotSpot)이 가장 널리 쓰이는 JVM 구현체이고, 이 문서의 세부 동작도 핫스팟 기준이다.

클래스 로더 서브시스템

클래스 로더는 .class 파일을 실행 중에 필요해지는 시점에 메모리로 가져온다. 과정은 로딩(loading), 링킹(linking), 초기화(initialization)로 나뉘며, 링킹은 다시 바이트코드의 유효성을 확인하는 검증, static 필드를 기본값으로 잡아 두는 준비, 심벌릭 참조를 실제 참조로 바꾸는 해석으로 나뉜다. 로더는 핵심 모듈을 담당하는 부트스트랩 로더, 플랫폼 로더, 애플리케이션 로더가 계층을 이루고, 요청을 먼저 부모에게 위임하는 부모 위임 모델(parent delegation model)로 동작해 java.lang.String 같은 핵심 클래스가 임의 코드로 바꿔치기되는 것을 막는다.

런타임 데이터 영역

JVM 메모리는 모든 스레드가 공유하는 영역과 스레드마다 따로 갖는 영역으로 나뉜다. 공유 영역의 중심은 힙(heap)으로, new로 만든 모든 객체와 배열이 여기 할당되고 가비지 컬렉션의 대상이 된다. 클래스 구조, 메서드 바이트코드, static 변수, 상수 풀을 담는 메서드 영역(method area)은 명세상의 개념이고, 핫스팟에서는 Java 8부터 네이티브 메모리를 쓰는 메타스페이스(Metaspace)로 구현된다. 그 이전의 고정 크기 영구 세대(PermGen)는 메모리 부족 문제로 제거되었다.

스레드별 영역으로는 현재 실행 중인 바이트코드 주소를 가리키는 PC 레지스터(Program Counter Register), 메서드 호출마다 프레임이 쌓이는 JVM 스택, JNI 호출을 위한 네이티브 메서드 스택이 있다. 각 스택 프레임은 지역 변수 배열과 피연산자 스택(operand stack)을 담는데, 바이트코드는 피연산자 스택에 값을 올리고 내리며 계산하는 스택 머신 방식으로 실행된다. 재귀가 너무 깊어 스택이 넘치면 StackOverflowError, 힙이나 메타스페이스가 부족하면 OutOfMemoryError가 발생한다.

영역	공유 여부	저장 내용	관련 오류
힙	전 스레드 공유	객체와 배열 인스턴스	OutOfMemoryError: Java heap space
메서드 영역 (메타스페이스)	전 스레드 공유	클래스 메타데이터, static 변수, 상수 풀	OutOfMemoryError: Metaspace
JVM 스택	스레드별	프레임, 지역 변수, 피연산자 스택	StackOverflowError
PC 레지스터	스레드별	현재 명령 주소	없음
네이티브 메서드 스택	스레드별	네이티브 코드 호출 정보	StackOverflowError

public class MemoryDemo {
    private static final int LIMIT = 100;   // 상수: 메서드 영역 관련
    private int count;                       // 인스턴스 필드: 힙의 객체 안

    public static void main(String[] args) { // 프레임이 스택에 쌓인다
        int local = 10;                      // 지역 변수: 스택 프레임
        MemoryDemo demo = new MemoryDemo();  // 객체는 힙, 참조는 스택
        String name = "devfit";              // 리터럴은 힙의 문자열 풀
    }
}