[JAVA] JVM은 무엇이며 자바 코드는 어떻게 실행하는 것인가

케이·2022년 7월 24일

Java

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학습한 내용을 정리한 포스팅입니다. 직역된 부분이 있어 어색할 수 있습니다. 틀린 부분이 있다면 언제든 지적 해주시면 감사하겠습니다. 🙇🏻‍♀️

JVM이란 무엇인가

Java Virtual Machine
이름 그대로 해석한다면 자바 가상 머신.
자바는 WORA(Write Once Run Anywhere)라는 컨셉을 가지고 가상 머신 위에서 실행되게끔 개발 되었다.
현실에서 소프트웨어가 운영체제를 통해 컴퓨터 하드웨어 상에서 구동 되듯이 자바 개발 도구인 JDK를 이용해 개발된 프로그램은 JRE에 의해 가상의 컴퓨터인 JVM에서 구동된다. (컴파일된 바이트 코드는 JRE에 의해서 실행되고 JRE는 JVM에서 구동.)
위의 그림과 같이 JVM은 세 파트로 나뉘게 된다.
- ClassLoader Subsystem, Runtime Data Area, Execution Engine

JDK와 JRE의 차이

JDK

Java Development Kit. 자바 개발 도구
자바 프로그램을 개발하고 실행시킬 수 있는 환경을 제공하는 키트.
JDK의 키트(또는 패키지)는 아래의 2가지를 포함한다.
- Development Tools(자바 프로그램을 개발하기 위한 환경 제공을 위함)
- JRE(자바 프로그램을 실행하기 위함)
JDK는 자바 소스 컴파일러인 javac.exe를 포함한다.

JRE

Java Runtime Environment. 자바 실행 환경
당신의 머신에서 자바 프로그램(또는 어플리케이션)을 실행하기 위한(개발X) 환경을 제공하는 installation package
JRE는 자바 프로그램 실행기인 java.exe를 포함한다.

컴파일 하는 방법

자바파일은 컴파일러를 통과하면서 바이트 코드로 변환된다. 소스파일의 각 클래스의 내용들은 각각 .class파일로 저장된다. 소스코드가 바이트코드로 변환되는 동안 컴파일러는 아래의 과정들을 거친다.

Step 1: Parse: Reads a set of *.java source files and maps the resulting token sequence into AST (Abstract Syntax Tree)-Nodes.
Step 2: Enter: Enters symbols for the definitions into the symbol table.
Step 3: Process annotations: If Requested, processes annotations found in the specified compilation units.
Step 4: Attribute: Attributes the Syntax trees. This step includes name resolution, type checking and constant folding.
Step 5: Flow: Performs dataflow analysis on the trees from the previous step. This includes checks for assignments and reachability.
Step 6: Desugar: Rewrites the AST and translates away some syntactic sugar. (Syntactic sugar: 코드에는 영향을 끼치지 않으면서 인간이 읽고쓰기 편하게 만들어 놓은것.)
Step 7: Generate: Generates ‘.Class’ files.

간단요약: 컴파일러가 자바 파일을 .class 파일로 컴파일 하고 .class 파일은 클래스 파일을 불러오고 실행하는 JVM에 넣어짐.

실행하는 방법

컴파일러에 의해 생성된 클래스 파일들은 머신 또는 OS에 독립적이라 어느 시스템에서도 실행될 수 있다.
실행을 위해서는 메인 클래스 파일은 JVM을 통과하게 되고 아래 세 개의 메인 스테이지를 통과하면서 실행된다.

ClassLoader
Bytecode Verifier
Just-In-Time Complier

ClassLoader
메인 클래스는 메모리에 로드된다. 이 밖의 다른 모든 클래스들은 클래스 로더에 로드 된다.
그 자체로 객체인 클래스 로더는 클래스 바디의 flat namespace를 만든다.
```
// loadClass function prototype
Class r = loadClass(String className, boolean resolveIt);
// className: name of the class to be loaded
// resolveIt: flag to decide whether any referenced class should be loaded or not.
```
Bytecode Verifier
클래스의 바이트 코드가 클래스 로더에 로드된 이후에 Bytecode Verifier에 의해 점검을 받는다.
아래와 같은 내용들을 점검한다

Variables are initialized before they are used.
Method calls match the types of object references.
Rules for accessing private data and methods are not violated.
Local variable accesses fall within the runtime stack.
The run-time stack does not overflow.
위의 내용 중에 어느 하나라도 fail이 날 경우 verifier는 클래스 로드를 허용하지 않는다.

Just-In-Time Complier
마지막 단계. 이 단계에서는 로드된 바이트 코드를 기계어로 변환한다.

JIT 컴파일러란 무엇이며 어떻게 동작하는지

위에서 살펴본 실행하는 방법에도 등장한, 실행 마지막 단계에 만나게 되는 컴파일러다.

Just-In-Time Complier. JRE에서 중요한 부분이다. 런타임시 어플리케이션 퍼포먼스 최적화와 관계가 있다.
JIT 컴파일러를 사용할 때 (JVM이 같은 시퀀스의 바이트 코드를 반복해서 해석하는 것과는 다르게) 하드웨어는 네이티브 코드를 실행할 수 있다. 이를 통해 실행 시 속도가 더 빠를 수 있다.
JVM은 각 메소드에 대해 사전 정의된 컴파일 임계값에서 시작되고 해당 메소드가 호출될 때마다 감소되는 호출 개수를 유지보수 하는데 이 때 호출 개수가 0에 도달하면 해당 메소드에 대한 JIT 컴파일이 트리거 됨. -> 자주 쓰는 메소드는 JVM이 시작된 직후 컴파일 되며 자주 사용되지 않는 메소드는 훨씬 나중에 컴파일 되거나 전혀 컴파일되지 않음.

바이트코드란 무엇인가

컴파일러에 의해 생성된 intermediate 코드. 이 indermediate 코드는 자바가 플랫폼에 독립적인 언어가 될 수 있게 한다.
바이트코드는 어떻게 실행되는가?

컴파일러는 소스코드나 자바 프로그램을 바이트코드(또는 기계어)로 변환하고 인터프리터는 시스템에서 바이트코드를 실행한다. 이 인터프리터는 JVM이라고 불린다. 바이트 코드는 컴파일러와 인터프리터 사이의 공통된 조각(common piece)이다.