[Java] JVM과 자바 컴파일 과정

자바 컴파일 순서

자바는 JVM이라는 존재 때문에 OS에 독립적인 특징을 가지고 있다.

• 개발자가 자바 소스코드(.java)를 작성한다.
• 자바 컴파일러가 자바 소스코드(.java) 파일을 읽어 바이트코드(.class) 코드로 컴파일 한다. 해당 파일은 JVM이 읽을 수 있는 코드
• 컴파일된 바이트 코드를 JVM의 클래스 로더에 전달한다.
• 클래스 로더는 동적 로딩 (Dynamic Loading)을 통해 필요한 클래스들을 로딩 및 링크하여 런타임 데이터 영역 (Runtime Data Area), 즉 JVM의 메모리에 올린다.
• 실행엔진(Execution Engine)은 JVM 메모리에 올라온 바이트 코드들을 명령어 단위로 하나씩 가져와서 실행한다. 이 때 실행 엔진은 두 가지 방식으로 변경한다.
  • 인터프리터 : 바이트 코드 명령어를 하나씩 읽어서 해석하고 실행한다. 하나하나의 실행은 빠르나, 전체적인 실행 속도가 느리다는 단점을 가진다.
  • JIT컴파일러 : 인터프리터의 단점을 보완하기 위해 도입된 방식으로 바이트 코드 전체를 컴파일하여 바이너리 코드로 변경하고 이후에는 해당 메서드를 더이상 인터프리팅 하지 않고, 바이너리 코드로 직접 실행하는 방식이다 하나씩 인터프리팅하여 실행하는 것이 아니라 바이트 코드 전체가 컴파일된 바이너리 코드를 실행하는 것이기 때문에 전체적인 실행속도는 인터프리팅 방식보다 빠르다.

JVM 구조

자바 가상 머신 JVM(Java Virtual Machine)은 자바 프로그램 실행환경을 만들어 주는 소프트웨어다. 자바 코드를 컴파일하여 .class 바이트 코드로 만들면 이 코드가 자바 가상 머신 환경에서 실행 된다. JVM은 자바 실행 환경 JRE(Java Runtime Environment)에 포함되어 있다.

클래스 로더 (Class Loader)

• 자바는 동적으로 클래스를 읽어오므로, 프로그램이 실행 중인 런타임 시 모든 코드가 JVM과 연결 된다.
• 이렇게 동적으로 클래스를 로딩해주는 역할을 하는 것이 클래스 로더.
• 클래스 로더는 .class 파일을 묶어서 JVM이 운영체제로부터 할당받은 메모리 영역인 Runtime Data Area로 적재한다.

실행 엔진(Execution Engine)

• class 파일이 Runtime Data Area의 Method Area로 배치되는데, 배치된 이후에 JVM은 Method Area의 바이트 코드를 실행 엔진(Execution Engine)에 제공하여, 정의된 내용대로 바이트 코드를 실행시킨다.
• 이 때 로드된 바이트코드를 실행하는 런타임 모듈이 실행 엔진(Execution Engine)이다. 실행 엔진은 바이트코드를 명령어 단위로 읽어서 실행한다.

가비지 컬렉터(Garbage Collector)

• JVM은 가비지 컬렉터를 이용하여 더 이상 사용하지 않는 메모리를 자동으로 회수해준다.
• Heap 메모리 영역에 생성(적재)된 객체들 중에 참조되지 않은 객체들을 탐색 후 제거하는 역할을 하며 GC역할을 수행하는 스레드를 제외한 나머지 모든 스레드들은 일시정지 상태가 된다. 이를 Stop The World라고 한다.

런타임 데이터 영역 (Runtime Data Area)

• 런타임 데이터 영역은 JVM의 메모리 영역으로 자바 애플리케이션을 실행할 때 사용되는 데이터들을 적재하는 영역이다.
• 모든 스레드가 공유해서 사용 (GC의 대상)
  • 힙 영역 (Heap Area)
  • 메서드 영역(Method Area)
• 스레드(Thread) 마다 하나씩 생성
  • 스택 영역(Stack Area)
  • PC 레지스터 (PC Register)
  • 네이티브 메서드 스택(Native Method Stack)

메서드 영역 (Method Area)

• 클래스 멤버 변수의 이름, 데이터 타입, 접근 제어자 정보와 같은 각종 필드 정보들과 메서드 정보, 데이터 Type 정보, Constant Pool, static변수, final class 등이 생성되는 영역

힙 영역 (Heap Area)

• new 키워드로 생성된 객체와 배열이 생성되는 영역
• 주기적으로 GC가 제거하는 영역입니다.

• 이와 관련된 설명은 GC 링크 참조

스택 영역 (Stack Area)

• 지역변수, 파라미터, 리턴 값, 연산에 사용되는 임시 값 등이 생성되는 영역

PC 레지스터 (PC Register)

• Thread가 생성될 때마다 생성되는 영역으로 프로그램 카운터, 즉 현재 스레드가 실행되는 부분의 주소와 명령을 저장하고 있는 영역

네이티브 메서드 스택 (Native Method Stack)

• 자바 이외의 언어(C, C++, 어셈블리 등)로 작성된 네이티브 코드를 실행할 때 사용되는 메모리 영역으로 일반적인 C 스택을 사용
• 보통 C/C++ 등의 코드를 수행하기 위한 스택을 말하며 (JNI) 자바 컴파일러에 의해 변환된 자바 바이트 코드를 읽고 해석하는 역할을 하는 것이 자바 인터프리터(interpreter)다.