JAVA - STUDY 1주차 과제 : JVM은 무엇이며 자바 코드는 어떻게 실행하는 것인가

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목차 : 학습할 것

• JVM이란 무엇인가
• 컴파일 하는 방법
• 실행하는 방법
• 바이트코드란 무엇인가
• JIT 컴파일러란 무엇이며 어떻게 동작하는지
• JVM 구성 요소
• JDK와 JRE의 차이

 

 

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JVM이란 무엇인가

JVM은 자바 가상 머신(Java Virtual Machine)의 약자로 자바 바이트 코드(.class파일)을 OS에 특화된 코드로 변환(일반적으로, 인터프리터나 JIT 컴파일 방식으로 다른 컴퓨터 위에서 바이트 코드를 실행할 수 있도록 구현한다)하여 실행한다.  JVM은 운영체제 마다 다르다. 윈도우에 특화된 JVM이 있고, Linux에 특화된 JVM이 있고, Mac OS에 특화된 JVM이 있을것이다. 하지만 자바의 바이트코드(.class파일)는 어떤 JVM에서나 다 동작을 하기 때문에, 표준 자바 API까지 동일한 동작을 하도록 구현한 상태에서는 모든 자바 프로그램은 운영 체제의 종류와 상관없이 독립적이다 라고 할 수 있는 것이다. 운영체제에 대해서는 독립적이게 됐지만, JVM에 대해서는 종속적이게 된다.

 

 

컴파일 하는 방법

실행 환경 : MAC OS X, JDK 11

• cmd 실행
  • 실행할 .java 파일 경로 입력
    • javac Test.java

$ javac Test.java

javac Test.java 를 실행해주면 아래와 같이 컴파일이 되어있는 것을 확인할 수 있다.

실행하는 방법

• 실행하는 법은 명령어 java Test 로 실행

$ java Test

 

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바이트코드란 무엇인가

바이트코드 란?

아래는 자바 프로그램 실행과정을 그림으로 나타낸 모습이다.

출처 : http://tcpschool.com/java/java_intro_programming

• 자바 바이트 코드( Java bytecode )란 JVM이 이해할 수 있는 언어로 변환된 자바 소스 코드를 의미합니다.
• 자바 컴파일러에 의해 변환되는 코드의 명령어 크기가 1바이트라서 자바 바이트 코드라고 불리고 있습니다.
• 이러한 자바 바이트 코드의 확장자는 .class 입니다.
• 자바 바이트 코드는 자바 가상 머신만 설치되어 있으면, 어떤 운영체제에서라도 실행될 수 있습니다.

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JIT 컴파일러란 무엇이며 어떻게 동작하는지

Interpreter 방식 : JVM이 최초 버전에 사용. Bytecode를 한 라인씩 읽고 해석하여 실행하는 방식. (속도가 느리다는 단점)

자바는 바이트코드를 만들기 위해 한번 컴파일 하고, 또 그 바이트코드를 Interpreter로 읽고 해석하는 과정을 거치게 된다. 하지만, Interpreter 방식으로 바이트코드 한줄 한줄 읽고 해석하기 때문에 속도가 느릴수 밖에 없다.

 

그래서 등장한 방식. JIT Compiler

JIT 컴파일러 는 Just In Time의 약자로, Interpreter 방식의 단점을 보완해서 등장한 컴파일러 방식이다.

Bytecode를 JIT Compiler 를 통해 어셈블러 같은 Native Code로 변경되어 수행실행 속도는 빨라졌지만 어셈블러 코드로 변경하는데 비용이 발생한다.

어셈블러로 변환하면 속도가 빨라지지만 어셈블러 코드로 변환하는데 비용이 발생한다. 이 때문에 반복 수행이 발생하지 않으면 interpreter 방식이 빠르다.

 

이 같은 이유 때문에 JVM은 모든 코드를 JIT Compiler  방식으로 실행하지 않고 Interpreter  방식을 사용하다 일정한 기준이 넘어가면  JIT Compiler 방식으로 실행한다.

 

아래는 컴파일러 동작 과정을 그림으로 나타낸 것이다.

출처 : https://aboullaite.me/understanding-jit-compiler-just-in-time-compiler/

 

• 자바는 Interpreter 방식으로 실행하다가 적절한 시점에 JIT Compiler 가 바이트코드 전체를 컴파일하여 네이티브 코드(기계어)로 변경하고 이후에는 네이티브 코드(기계어)로 직접 실행하는 방식이다.
• 네이티브 코드는 컴파일할 때 캐시에 보관하기 때문에 한 번 컴파일된 코드는 빠르게 수행하게 됨
• JIT컴파일러가 컴파일하는 과정은 바이트코드를 인터프리팅하는 것보다 훨씬 오래 걸리므로 한 번만 실행되는 코드라면 컴파일하지 않고 Interpreter 하는 것이 나음

• JIT 컴파일러 를 사용하는 JVM은 내부적으로 해당 메소드가 얼마나 자주 수행되는지 체크하고 일정 정도를 넘을 때만 컴파일을 수행

 

 

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JVM 구성요소

 

 JVM의 구조

JVM의 구조

 

• Java Source : 사용자가 작성한 JAVA 코드
• Java Compiler　: JAVA 코드를 Byte Code 로 변환시켜주는 기능
• Class Loader :　Class파일을 메모리(Runtime Data Area)에 적재하는 기능
• Execution Engine : Load 된 .class 의 Byte Code 를 실행하는 Runtime Module
• Gabage Collector : 가비지란 '정리되지 않은 메모리', '유효하지 않은 메모리 주소'를 말한다. 이것을 Heap Memory에서 발견해 없애주는 역할을 한다.
• Runtime Data Area : 프로그램을 수행하기 위해 OS에서 할당 받은 메모리 공간

 

 

JVM 실행 과정

1. 자바 컴파일러에 의해 자바코드가 클래스파일로 컴파일된 후 클래스로더로 해당 클래스 파일들을 로드 시킨다.
2. 로딩된 class파일은 Execution Engine 을 통해 해석된다.
3. 바이트코드를 한 라인씩 읽고 해석하여 실행하는 방식인 Interpreter (속도가 느림) 방식과, Interpreter 방식의 단점을 보완해 등장하는 것이 JIT(just in time) Compiler 방식이다.
   1. - 바이트코드를 JIT Compiler를 통해 어셈블러 같은 Native Code로 변경되어 수행
   2. - 실행속도는 빨라졌지만 어셈블러 코드로 변경하는데 비용이 발생함.
   3. - 어셈블러로 변환하면 속도가 빨라지지만 어셈블러 코드로 변환하는데 비용이 발생한다. 이 때문에 반복 수행이 발생하지 않으면 Interpreter 방식이 빠르다.
4.  JVM은 모든 코드를 JIT Compiler 방식으로 실행하지 않고 Interpreter 방식을 사용하다 일정한 기준이 넘어가면 JIT Compiler 방식으로 실행한다.
5. 이후 로딩된 바이트코드를 실행엔진을 이용하여 해석(Interpret)하여 Runtime Data Areas ( 아래에서 자세히 다루겠음.) 에 배치시킨다.

 

 

클래스 로더란?

파일 형태로 존재하는 class를 Runtime Memory에 Type으로 만드는 작업을 Class Loader Work라고 한다.
Class Loader Work 는 Loading, Linking, Initializaion 세가지 과정으로 나뉜다.

• Loading : Binary 형태의 Type을 JVM안으로 가져오는 과정
• Linking : Loading된 Type을 Runtime 상태의 Binary Type Data로 구성하는 과정, Linking 작업은 또 Verification, Preparation, Resolution으로 나뉜다.
  • Verification : JVM에서 사용이 가능한 형태(Java Language 문법에 어긋남이 없는지)인지 검증
  • Preparation : Type이 필요로 하는 Memory를 할당해 주는 작업
    
  • Resolution : 실제 메모리 주소 값으로 변경해 주는 작업(Constant Pool의 Symbolic Reference를 Direct Reference)
    

•  

• Initialization : Class 변수를 적절한 값으로 초기화 해주는 과정. 이 과정까지 완료되어야 Application에서 class를 사용할 수 있는 상태가 된다.

 

• Loading과 Linking 과정을 수행하는 방식에는 Eager 방식과 Lazy 방식이 있다.
  
  • Eager 방식 : JVM이 기동할 때 Application과 Application에 관련된 Class를 모두 Loading과 Linking하는 방식
    
  • Lazy 방식 : First Actual Use 때 하나씩 Loading, Linking을 수행 (대부분 Lazy 사용)

 

 

메모리 구조 ( Runtime Data Areas )

Runtime Data Areas 메모리 구조는 5가지로 구성된다.

• Method Area (= Class Area = Static Area)
  
  • 클래스 정보를 처음 메모리 공간에 올릴 때 초기화 되는 대상을 저장하기 위한 메모리 공간
  • 모든 Thread가 공유한다.
  • 클래스, 변수, Method, static 변수, 상수 정보 등이 저장되는 영역이다.
    • Field Information : 멤버변수의 이름, 데이터 타입, 접근 제어자에 대한 정보
    • Method Information : 메소드의 이름, 리턴 타입, 매개변수, 접근 제어자에 대한 정보
    • Type Information : Type의 속성이 Class인지 Interface인지의 여부 저장
    • 상수 풀(Constant Pool) : 문자 상수, 타입, 필드, Method의 symbolic reference
      (객체 이름으로 참조하는 것)도 저장
    • Static 변수(Class Variable) : 모든 객체가 공유 할 수 있고, 객체 생성 없이 접근 가능
    • Class 사용 이전에 메모리 할당 : final class 변수의 경우 -> (상수로 치환되어) 상수 풀에 값 복사
• Heap Area
  • 객체를 저장하는 가상 메모리 공간.(모든 Thread가 공유)
    • new 연산자로 생성된 객체와 배열을 저장한다. (class Area 영역에 올라온 클래스들만 객체로 생성 가능!)
    • Gabage Collection 이슈는 이 영역에서 일어난다.
    • Heap 영역은 Young Generation, Old Generation, Permanent Generation 으로 구성되는데 자세하게는 안다루겠다.
• Stack Area
  
  • 메소드 내에서 사용되는 값들(매개변수, 지역변수, 리턴값 등)이 저장되는 구역으로 메소드 호출 시마다 각각의 메소드마다 스택프레임(각 메소드를 위한 공간)이 생성이 된다. 
  • LIFO (Last In First Out)을 준수하며, 메소드를 빠져나가면(수행이 끝나면) 해당 스택프레임은 LIFO를 지키며 소멸이 된다.
• PC Register
  • Thread가 생성 될 때마다 생성되는 공간
  • 현재 Thread가 실행되는 부분의 주소와 명령과 저장
• Native Method Stack
  • 자바의 언어로 작성된 네이티브 코드를 위한 메모리 영역

 

 

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JDK와 JRE의 차이

JRE (Java Runtime Environment) 자바 런타임(실행) 환경

JRE는 말 그대로 자바를 실행하기 위해 필요한 필수적인 컴포넌트들을 제공한다. (그러나 새 프로그램은 작성할 수 없다.)

JVM (Java Virtual Machine), Java 클래스 라이브러리 등 자바를 실행하기 위한 모든 패키지를 제공한다.

 

JDK (Java Development Kit) 자바 개발 키트 ( JRE의 상위 집합 / JDK > JRE > JVM )

JDK는 말 그대로 자바를 개발하기 위해 필요한 기능(javac, java 등) 들을 제공한다.

 

JRE = JVM + JAVA 패키지 클래스 (java.util , java.Math, java.lang , java.awt , java.Swing 등) + 런타임 라이브러리

JDK = JRE + 개발/디버깅 툴 (javac, java 등)

 

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REFERENCES 

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huelet.tistory.com/entry/JVM-%EB%A9%94%EB%AA%A8%EB%A6%AC%EA%B5%AC%EC%A1%B0

asfirstalways.tistory.com/158

velog.io/@litien/JVM-%EA%B5%AC%EC%A1%B0

coding-start.tistory.com/205

catch-me-java.tistory.com/11?category=438116

github.com/yeo311/java-study-with-whiteship/tree/main/week1

github.com/yeo311/java-study-with-whiteship/tree/main/week1#%EC%BB%B4%ED%8C%8C%EC%9D%BC-%ED%95%98%EB%8A%94-%EB%B0%A9%EB%B2%95

c10106.tistory.com/3135