Java JVM 구성 요소와 Garbage Collection(GC) 동작 원리
JVM(Java Virtual Machine)의 핵심 구성 요소인 Class Loader, Runtime Data Area, Execution Engine, 그리고 Garbage Collector가 어떻게 상호작용하며 자바 프로그램을 실행하는지 정리한다.
1. 자바 코드 실행 흐름
개발자가 작성한 .java 소스 코드는 다음과 같은 과정을 거쳐 실행된다. 
- 자바 컴파일러(javac) 가 소스 코드를 바이트코드(
.class)로 변환한다. - Class Loader가 바이트코드를 읽어 Runtime Data Area에 적재한다.
- Execution Engine이 메모리에 적재된 바이트코드를 해석하고 실행한다.
2. JVM 구성 요소별 역할
Class Loader (클래스 로더)
바이트코드를 읽어 JVM의 메모리 영역에 적재하는 역할을 한다. 모든 클래스를 한 번에 올리지 않고, 실제 사용되는 시점에 동적으로 로드하는 Lazy Loading 방식을 취해 메모리 효율을 높인다.
- 로드(Loading):
.class파일을 찾아 읽음 - 링크(Linking): 검증, 메모리 할당, 참조 연결
- 초기화(Initialization):
static변수 및 블록 실행
Runtime Data Area (런타임 데이터 영역)
JVM이 OS로부터 할당받은 메모리 공간이다.
- 공유 영역: Heap, Method Area (모든 스레드 공유)
- 스레드 전용: Stack, PC Register, Native Method Stack (각 스레드별 독립 존재)
💡 static 사용을 주의해야 하는 이유
static은 Method Area에 생성되어 JVM 종료 시까지 유지된다. GC의 관리 대상이 아니므로 무분별하게 사용하면 메모리 누수의 원인이 되며, 모든 스레드가 공유하므로 동시성 문제(Race Condition)가 발생할 수 있다.
Execution Engine (실행 엔진)
- Interpreter: 바이트코드를 한 줄씩 읽어 실행한다. 초기 실행 속도는 빠르지만 반복 작업에 취약하다.
- JIT Compiler: 자주 실행되는 코드(Hotspot)를 감지해 네이티브 코드로 컴파일 후 캐싱한다. 이 과정 때문에 자바 애플리케이션은 실행 초기에 워밍업(Warm-up) 시간이 필요하며, 시간이 지날수록 실행 속도가 빨라진다.
3. Garbage Collection (GC)
C언어와 달리 자바는 GC가 메모리 해제를 대신 수행한다. GC는 주로 Heap 영역의 객체 중 참조되지 않는(Unreachable) 객체를 수거한다.
Heap 메모리 구조와 세대별 관리
객체의 생존 기간에 따라 영역을 나누어 관리함으로써 효율을 높인다. 
- Young Generation: 새 객체가 생성되는 영역
- Eden: 신규 객체 할당
- Survivor 0/1: Minor GC에서 살아남은 객체 이동
- Eden이 꽉 차면 Minor GC가 발생한다.
- Old Generation: 오래 살아남은 객체의 영역
- Young 영역에서 설정된 age 임계값을 넘긴 객체가 승격(Promote)되어 온다.
- Old 영역이 꽉 차면 Major GC(Full GC) 가 발생하며, 이때 Stop The World(STW) 현상으로 인해 모든 스레드가 일시 정지된다.
GC 동작 메커니즘: Mark & Sweep
- Mark: GC Root(Stack, static 변수 등)에서 시작해 참조 사슬을 따라가며 살아있는 객체를 표시한다.
- Sweep: Mark되지 않은(Unreachable) 객체들을 메모리에서 제거한다.
- Compact: (선택적) 분산된 메모리를 한곳으로 모아 단편화를 방지한다.
4. 요약 및 비교
| 구분 | Minor GC | Major GC (Full GC) |
|---|---|---|
| 대상 영역 | Young Generation | Old Generation |
| 발생 시점 | Eden 영역이 꽉 찼을 때 | Old 영역이 꽉 찼을 때 |
| 실행 속도 | 매우 빠름 | 상대적으로 느림 |
회고
자바의 구동 원리에 대해 어렴풋이만 알고 있었는데, 이번 기회에 내부에서 구체적으로 어떻게 동작하는지 깊이 있게 들여다볼 수 있었다. 특히 단순히 ‘힙 메모리를 비워주는 것’으로만 알았던 GC가 세대별로 나뉘어 체계적으로 작동하는 과정을 보며 자바라는 언어에 더 큰 흥미를 느끼게 되었다.
처음에는 시스템 구조가 복잡해 보였지만, 자세히 뜯어보면 단순하고 명확한 작업들이 유기적으로 합쳐져 돌아가는 모습이 인상적이었다. 이 모습이 마치 자바의 객체지향 철학을 시스템 단위로 구현해 놓은 것 같아 재미있었고, 결국 자바는 런타임 환경조차 ‘자바답게’ 설계되었다는 것을 다시 한번 깨닫는 시간이었다.
🔗 참고 자료 (Sources)
- Oracle: Java Virtual Machine Specification
- Oracle: Garbage Collection Tuning Guide
- Baeldung: JVM Architecture Explained
- Baeldung: How Garbage Collection Works in Java