[Java] W01: JVM은 무엇이며 자바 코드는 어떻게 실행하는 것인가

학습목표

1. JVM이란 무엇인가

2. 컴파일 하는 방법
3. 실행하는 방법
4. 바이트코드란 무엇인가
5. JIT 컴파일러란 무엇이며 어떻게 동작하는가

6. JVM의 구조

7. JDK와 JRE의 차이

 

1. JVM이란

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'Java Virtual Machine' 을 줄인 것으로 자바를 실행하기 위한 가상 기계이다.

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Java는 OS에 종속적이지 않는 특징이 있다. 

Java가 나오기 전 기존의 언어는 각 운영체제에 맞게 코드를 작성하는 많은 노력이 필요하였지만

Java는 운영체제에 독립적이기 때문에 운영체제가 바뀌어도 동일한 코드로 똑같이 동작한다.

 

이 이유는 JVM이라는 것 때문이다. 

Java애플리케이션과 일반 애플리케이션의 비교

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JVM은 가상 컴퓨터로 독립적인 실행이 가능한데 일반 애플리케이션은 OS와 맞붙어 있어 OS에 종속적이며 OS에 맞게 변경해야 한다.

반면 Java 애플리케이션은 JVM과 상호작용을 하기 때문에 OS와 하드웨어에 독립적이라 다른 OS에서도 프로그램 변경없이 실행이 가능하다.

 

다양한 OS용 JVM

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JVM 은 OS에 종속적이기 때문에 해당 OS에서 실행 가능한 JVM이 필요하다. 

 

JVM은 Java Byte Code를 OS에 맞게 해석해 주는 역할을 한다.

컴파일 과정

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Java 컴파일러는 .java 파일을 .class 라는 Java Byte Code로 변환시켜 준다.

Byte Code는 JVM위에서 OS상관없이 실행된다. 

Byte Code는 기계어가 아니기 때문에 OS에서 바로 실행되지 않고 JVM이 OS가 Byte Code를 이해할 수 있게 해석한다.

여기서 Java compiler는 JDK를 설치하면 bin 에 존재하는 javac.exe를 말한다.
(JDK에 Java compiler가 포함되어 있다)
javac 명령어를 통해 .java를 .class로 컴파일 할 수 있다.

 

2. 컴파일 하는 방법

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다음은 자바 컴파일러에 의해 .java파일을 .class파일 이라는 Java Byte Code로 만드는 과정이다.

1. JDK 설치

https://www.oracle.com/java/technologies/downloads/

2. test.java파일 생성 및 코드작성 후 .class 파일로 변환

public class test {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello World");
    }
}​

3. javac test.java를 통해 컴파일 

 

.class 파일이 생성되었다. .class 파일은 JVM이 해석할 바이트 코드이다. 

 

컴파일 옵션

옵션	설명	예시
-cp path or -classpath path	실행할 클래스 위치 지정	javac -cp "/경로/test.java"
-d directory	클래스 파일 생성위치 지정	javac -d "경로"
-sourcepath sourcepath	소스파일 위치 지정	javac -sourcepath "경로"

여러 컴파일 옵션은 다음 공식 문서를 참고: https://docs.oracle.com/javase/6/docs/technotes/tools/windows/javac.html

3. 실행하는 방법

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javac test.java로 생성한 클래스 파일을 실행한다.

java filename.class

 

JDK 디렉토리의 /bin 폴더에 존재하는 java.exe는 JVM을 구동시키기 위한 명령 프로그램이다. 
Java 명령어로 JVM을 실행시킬 수 있다.
- 출처 -

 

"Hello World"가 출력되면서 test.class 파일이 실행되었다.

 

자바 컴파일러 과정과 기본적인 실행절차

1. Java 컴파일러(javac 명령어 실행) 에 의해 자바 소스(.java 확장자) 로부터 Byte code(.class확장자) 가 생성
2. JVM에 있는 class Loader에 의해 ByteCode는 JVM내에 로드되고 실행엔진(Execution Engine)에 기계어로 해석되어 메모리 상(Runtime Data Area)에 배치된다.
3. 실행엔진에는 Interpreter와 JIT(Just-In-Time) Compiler가 있는데, Interpreter에 의해 Byte Code를 한 줄씩 읽어 실행하다가 적절한 시점에 Byte Code 전체를 컴파일하고 더이상 인터프리팅하지 않고 해당 코드를 직접 실행한다. 
   
   • JIT Compiler에 의해 해석된 코드는 캐시에 보관하기 때문에 한 번 컴파일된 후에는 빠르게 수행할 수 있다는 장점이 있습니다. 하지만 코드 전체를 컴파일하기 때문에 인터프리팅하는 것보다 시간이 오래 걸리므로 한 번만 실행해도 되는 코드에 대해서는 인터프리팅하는 것이 유리합니다.
   • Interpreter : 자바 Byte Code를 한 줄씩 실행. 전체 성능면에서 불리.
   • JIT Compiler : 전체 Byte Code를 컴파일하고 캐시에 보관해놓고 직접 실행. 한 번만 실행해도 되는 코드에 대해서는 Interpreter가 유리.

- 인용: https://jeongjin984.github.io/posts/JVM/,- 

 

 

4. 바이트 코드란 무엇인가

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Byte Code는 JVM이 이해할 수 있는 언어로 변환된 자바 소스코드를 의미한다.

Java Compiler에 의해 변환된 코드의 명령어 크기가 1바이트라 Java Byte Code 라 불린다.

 

위의 컴파일러 과정에서 Byte Code는 완전한 기계어 형태가 아니라 실행할 수 없고 JVM에서 런타임으로 해석하며 기계어로 변경한다.

 

즉, JAVA는 OS에 종속적이기 않기 위해서 JVM이 이해할 수 있는 언어인 바이트 코드 형태로 제공되고 바이트 코드와 JVM이 있으면 어떤 운영체제던 종속적이지 않고 실행된다. 

 

 

5. JIT 컴파일러란 무엇이며 어떻게 동작하는가

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JIT 컴파일(just-in-time compliation), 동적 번역(dynamic translation) 이라고 한다. 

JIT 컴파일러는 프로그램을 실제 실행하는 시점에 기계어로 번역하는 컴파일러이다.

 

JVM은 바이트 코드 해석과 실행을 위해 Interpreter방식과 JIT compiler를 사용한다.

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기존에 클래스 파일(바이트 코드)를 실행하는 방법은 Interpreter방식이 기본이였다.

Interpreter방식은 자바 컴파일러 과정에서 설명하였듯이 명령어를 하나씩 해석해서 처리한다. 

명령어 하나씩 처리하는 속도는 빠르겠지만 전체 코드 관점에서 실행(인터프리팅) 속도가 느리다.

 

이러한 Interpreter 방식의 단점을 보완하기 위해 JIT 컴파일러가 도입되었다.

 

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JIT 컴파일러는 인터프리터 방식으로 컴파일러가 진행되다가 적절한 시점에 바이트 코드 전체를 컴파일하여 기계어로 변경하고 이후에 더 이상 인터프리팅 하지 않고 기계어로 직접 실행하는 방식이다.

 

6. JVM의 구조

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JVM은 크게 아래와 같이 이루어져 있다.

• 클래스 로더(Class Loader)
• 실행 엔진(Execution Engine)
  • 인터프리터(Interpreter)
  • JIT 컴파일러(Just-in-Time)
  • 가비지 콜렉터(Garbage collector)
• 런타임 데이터 영역 (Runtime Data Area)
  • PC Register
  • Java Vitrual Machine Stack
  • Native Method Stack
  • Method Area
  • Heap

 

Class Loader

JVM 내로 클래스 파일(*.class)을 로드, 링크를 통해 배치하는 작업을 수행한다.
런 타임시 동적으로 클래스를 로드하고 jar 파일 내 저장된 클래스들을 JVM의 메모리 영역에 탑재한다.
클래스를 처음으로 참조할 때, 해당 클래스를 로드하고 링크하는 역할을 한다.

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로드된 class들은 로딩 => 링크 => 초기화 절차를 진행한다.

로드

JVM은 .class파일에서 class, interface 타입등을 찾고 생성합니다.

링크

링크 과정은 불려와진 클래스나 인터페이스가 초기화 과정에서 실행될 수 있도록, JVM의 런타임 영역에 메모리 할당을 시작한다. 

- 1단계 verification

.class 파일이 valid한지 체크하며, 만약 valid 하지 않다면 에러가 발생한다. 

- 2단계 preparation

메모리를 클래스의 static 변수는 기본값으로 초기화 한다.

- 3단계 resolution

symbolic reference를 실제 메모리 레퍼런스로 교체한다. 

초기화

초기화 과정에서는 class와 interface 초기화 메소드를 수행한다.

이때, static 변수에 입력한 값으로 초기화되고 static 메소드들이 수행된다.

 

Runtime Data Areas

JVM이 프로그램을 수행하기 위해 OS로 부터 별도로 할당 받은 메모리 공간을 말하며,

Runtime Data Areas는 크게 5가지 영역으로 나눌 수 있다.

 

1. PC Register

PC 레지스터는 각 쓰레드 별로 하나씩 존재하며 Thread가 어떤 부분을 어떤 명령으로 실행해야할 지에 대한 기록을 하는 부분으로 현재 수행 중인 JVM 명령의 주소를 갖는다.

2. JVM Stack 

프로그램 실행과정에서 임시로 할당되었다가 메소드를 빠져나가면 바로 소멸되는 특성의 데이터를 저장하기 위한 영역이다.

 

JVM stack은 스레드의 수행정보를 프레임을 통해서 저장하게 된다.

JVM 쓰레드가 시작할 때 생성되며, 각 쓰레드별로 생성이 되기 때문에 다른 쓰레드에 접근할 수 없다.

메서드가 호출되면 메서드와 메서드 정보는 stack에 쌓이게 되며 메서드 호출이 종료될 때 Stack point에서 제거된다.

메서드 정보는 해당 메서드의 매개변수, 지역변수, 임시변수 그리고 address(메서드를 호출한 주소)등을 저장하고 메서드 종료시 메모리 공간이 사라진다.

 

3. Native Method Stack

네이티브 (Native) 메소드란?
JVM에서 Java외의 다른 언어들로 쓰여진 메소드 등을 읽어 Java앱과 같이 사용할 수 있도록 한다.
보통 운영체제/하드웨어 컨트롤 등의 이유로 low-level 언어들과 사용한다.
- 인용 -

자바 프로그램이 컴파일되어 생성되는 바이트 코드가 아닌 실제 실행할 수 있는 기계어로 작성된 프로그램을 실행시키는 영역. 즉, JNI(Java Native Interface)를 통해 호출되는 C/C++등의 코드를 수행하기 위한 stack

 

4. Method Area

클래스 정보를 처음 메모리 공간에 올릴 때 초기화되는 대상(상수 풀, 생성자 및 메서드, 메서드 데이터, static 변수, 부모클래스 이름 등..)을 저장하기 위한 메모리 공간

 

5. Heap Area

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인스턴스가 생성되는 공간.

프로그램 실행 중 생성되는 (new 연산자 의해서 생성되는) 배열과 객체는 모두 이곳에 생성된다.

 

Execution Engine

Load된 Class의 ByteCode를 실행하는 Runtime Module이 바로 Execution Engine이다.

Class Loader를 통해 JVM 내의 Runtime Data Areas 에 배치된 바이트 코드는 Executin Engine에 의해 실행되며,

실행 엔진은 자바 바이트 코드를 명령어 단위로 읽어서 실행한다.

최초 JVM 이 나왔을 당시에는 Interperter방식(한 줄씩 해석하고 실행)이였기 때문에 속도가 느리다는 단점이 있었지만 JIT complier 방식을 통해 이 점을 보완했다.

- 인용 - 

 

• 인터프리터
  • 바이트 코드를 한줄 한줄 읽어서 네이티브 코드로 변환
• JIT (Just In Time) 컴파일러
  • 바이트 코드에서 반복되는 코드 부분은 JIT 컴파일러가 미리 네이티브 코드로 변환 시켜놓음.
  • 반복되는 코드가 읽힐 순서가 왔을 때, 인터프리터로 읽지않고 바로 네이티브 코드를 바로 사용한다.
  • 인터프리터 읽을 때의 속도 효율성을 JIT 컴파일러가 보완
• GC (Garbage Collector)
  • 더 이상 참조되지 않는 객체를 모아서 메모리 정리를 한다.
  • 경우에 따라 성능 효율을 위해 커스터마이징을 해야함.

- 인용 -

 

7. JDK와 JRE의 차이

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Java Development Kit (JDK, 자바 개발 키트)

Java 프로그램을 개발하고 실행할 수 있는 환경을 제공하는 Kit이다.

JDK는 두 가지를 포함하는 키트(또는 패키지)이다.

• 개발 도구(자바 프로그램을 개발할 수 있는 환경 제공)
• JRE(자바 프로그램 실행)

 

Java Runtime Enviroment (JRE, 자바 런타임 환경)

JRE(Java Runtime Environment)는 컴퓨터에서 Java 프로그램(또는 애플리케이션)만 실행(개발이 아님)할 수 있는 환경을 제공하는 패키지다.

자바 어플리케이션을 구동하려면 JRE가 필수적으로 필요하다.

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참고

https://www.notion.so/1-01b08b753f0c4e93b16a96101c75d382#d6ef92001f6044d1baba17c5b3fed2a1

https://jhnyang.tistory.com/224

https://jeongjin984.github.io/posts/JVM/

https://www.geeksforgeeks.org/differences-jdk-jre-jvm/

https://www.geeksforgeeks.org/differences-jdk-jre-jvm/

https://doozi0316.tistory.com/entry/1%EC%A3%BC%EC%B0%A8-JVM%EC%9D%80-%EB%AC%B4%EC%97%87%EC%9D%B4%EB%A9%B0-%EC%9E%90%EB%B0%94-%EC%BD%94%EB%93%9C%EB%8A%94-%EC%96%B4%EB%96%BB%EA%B2%8C-%EC%8B%A4%ED%96%89%ED%95%98%EB%8A%94-%EA%B2%83%EC%9D%B8%EA%B0%80

https://medium.com/@lazysoul/jvm-%EC%9D%B4%EB%9E%80-c142b01571f2

https://ksabs.tistory.com/162

https://gblee1987.tistory.com/173