JVM (Java Virtual Machine)¶

정의¶

Java 바이트코드(.class)를 실행하는 가상 머신. "Write Once, Run Anywhere"의 핵심. 같은 바이트코드를 Windows/Linux/macOS 어디서나 실행 가능하게 만든다.

JVM은 명세(JVM Specification) 이며, 실제 구현체는 여러 가지:

구현체	제공자	특징
HotSpot	Oracle (OpenJDK)	가장 보편적. JIT + GC 최강
GraalVM	Oracle	Native Image(AOT) 가능, polyglot
OpenJ9	Eclipse	메모리 효율, 빠른 기동
Zing	Azul	저지연 GC 특화
Amazon Corretto	AWS	OpenJDK 기반, LTS 무료

실행 흐름¶

.java  --[javac]-->  .class (바이트코드)
                          ↓
                   [클래스 로더] — 메모리 로드
                          ↓
                   [바이트코드 검증]
                          ↓
                   [실행 엔진]
                     · 인터프리터 (느림)
                     · JIT 컴파일러 (핫스팟 감지 → 네이티브 변환)
                          ↓
                       OS / CPU

메모리 영역¶

영역	무엇이 들어가나	GC 대상
Heap	`new`로 만든 모든 객체 (Young + Old)	✅
Stack	메서드 호출 프레임, 지역 변수, 참조	❌ (자동 해제)
Metaspace	클래스 메타데이터, 메서드 코드	△
PC Register	다음 명령 위치	❌
Native Method Stack	JNI 네이티브 호출	❌

Java 8 이전의 PermGen → Metaspace로 교체. 기본적으로 OS 메모리만큼 자동 확장 가능 (이전엔 OOM의 흔한 원인).

Heap 세부 구조¶

Young Generation
 ├ Eden        — 새로 만든 객체가 여기로
 └ Survivor    — S0, S1 (Minor GC 살아남은 객체 왕복)
Old Generation (Tenured) — Survivor 왕복 후 Promotion

GC (Garbage Collection)¶

세대별 GC 전제¶

"대부분의 객체는 금방 죽는다(Weak Generational Hypothesis)."

→ Young(짧은 수명) 자주 작게 수집 / Old(긴 수명) 가끔 크게 수집.

Young → Old 흐름¶

1. new Object()       → Eden 할당
2. Eden 가득          → Minor GC 발생
3. 살아남음           → Survivor (S0 또는 S1)으로 이동
4. Survivor 왕복      → MaxTenuringThreshold(기본 15) 도달
5. Old로 승격(Promotion)
6. Old 가득           → Major GC (또는 Full GC) 발생

주요 GC 알고리즘¶

GC	출시	특징	적합
Serial	Java 1.0	단일 스레드, 작은 힙	컨테이너 작은 메모리
Parallel	Java 5	멀티 스레드, 처리량 중심	배치 작업
CMS	Java 5	동시 마킹 (Java 14에 제거)	(deprecated)
G1	Java 7 → Java 9 기본	Region 기반, 예측 가능한 정지 시간	대부분의 워크로드
ZGC	Java 11+	저지연 (대부분의 정지 < 1ms)	큰 힙 + 저지연
Shenandoah	Java 12+	저지연, Red Hat	ZGC 대안

GC 알고리즘 선택¶

java -XX:+UseG1GC ...           # G1 (Java 9+ 기본)
java -XX:+UseZGC ...            # ZGC (Java 15+ production)
java -XX:+UseShenandoahGC ...   # Shenandoah
java -XX:+UseParallelGC ...     # Parallel (throughput)

JIT (Just-In-Time) 컴파일러¶

처음에는 인터프리터가 바이트코드를 한 줄씩 해석. 자주 호출되는 메서드(Hot Spot)를 감지하면 JIT이 네이티브 코드로 컴파일 → 이후엔 빠른 네이티브로 실행.

HotSpot JVM의 2단계 JIT:

단계	이름	특징
C1	Client Compiler	빠른 컴파일, 적당한 최적화
C2	Server Compiler	느린 컴파일, 깊은 최적화

Java 7+ 기본 = Tiered Compilation (C1로 빠르게 시작 → 핫 메서드는 C2로 재컴파일).

대안: AOT (Ahead-of-Time) — GraalVM Native Image는 빌드 시 모든 코드를 네이티브로 컴파일. 기동 시간 매우 짧음(서버리스 친화), 단 리플렉션·동적 코드는 제약.

튜닝 핵심 옵션¶

# 힙 크기
-Xms512m              # 초기 힙 크기
-Xmx2g                # 최대 힙 크기
-XX:NewRatio=2        # Old/Young 비율 (기본 2 = Old가 2배)

# GC 로그 (운영 필수)
-Xlog:gc*:file=gc.log:time,uptime,level,tags:filecount=5,filesize=10m

# OOM 시 힙 덤프
-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
-XX:HeapDumpPath=/var/log/myapp/

# Container-aware (Java 10+)
-XX:+UseContainerSupport            # 컨테이너 메모리 인식 (기본 켜져 있음)
-XX:MaxRAMPercentage=75.0           # 컨테이너 메모리의 75%를 힙으로

Spring Boot 운영 권장¶

java -XX:+UseG1GC \
     -XX:MaxRAMPercentage=75.0 \
     -Xlog:gc*:file=/var/log/gc.log:time:filecount=5,filesize=10m \
     -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError \
     -XX:HeapDumpPath=/var/log/heapdumps/ \
     -jar app.jar

모니터링 도구¶

도구	용도
VisualVM	무료 GUI, 힙·스레드·CPU 프로파일링
JFR (Flight Recorder)	운영 가능한 저오버헤드 프로파일러 (Java 11+ 무료)
JConsole	JMX 기반 모니터링
Eclipse MAT	힙 덤프 분석 (OOM 원인 추적)
async-profiler	flame graph, low overhead
jstack	스레드 덤프 (`jstack <pid>`)
jmap	힙 덤프 생성 (`jmap -dump:format=b,file=heap.hprof <pid>`)
jstat	GC 통계 (`jstat -gc <pid> 1s`)

Spring Boot Actuator¶

management:
  endpoints:
    web:
      exposure:
        include: health, metrics, prometheus, heapdump, threaddump

→ /actuator/heapdump 호출 시 .hprof 다운로드, Eclipse MAT으로 분석.

자주 마주치는 OOM 종류¶

Error 메시지	원인	대처
`Java heap space`	Heap 부족 (메모리 누수 또는 진짜 부족)	힙 덤프 분석, `-Xmx` 증가
`GC overhead limit exceeded`	GC가 98% 시간 차지하는데 2% 회수	힙 증가 또는 누수 수정
`Metaspace`	클래스 메타데이터 부족	`-XX:MaxMetaspaceSize` 증가, 클래스 누수 의심
`Direct buffer memory`	`ByteBuffer.allocateDirect` 누적	NIO 사용 코드 점검
`unable to create new native thread`	스레드 수 한계	스레드 풀 점검, 컨테이너 ulimit

같은 인사이트 패턴¶

영역	함정	해결
이 페이지: GC	디폴트 ParallelGC (Java 8 이하)는 정지 시간 김	G1 또는 ZGC
이 페이지: 컨테이너 메모리	JVM이 호스트 메모리로 오인	`+UseContainerSupport`(기본) + `MaxRAMPercentage`
concept-db-connection-pool	풀 좀비 커넥션	`maxLifetime` 타이머
concept-keepalive-timeout-race	TCP 타임아웃 불일치	명시적 설정

원본 출처¶

raw: raw/java-study/java-study-ch09-JVM과성능.md
공식: Oracle — Java Virtual Machine Technology Overview
공식: HotSpot Garbage Collection Tuning Guide