[Java] JVM은 무엇이며 자바 코드는 어떻게 실행하는 것인가

dsunni·2020년 12월 17일
Java백기선
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Java

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Whiteship Live Study - 1주차 과제

https://github.com/whiteship/live-study/

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

JVM이란 무엇인가

JVM이란 Java Virtual Machine의 약자로 '자바를 실행시키기 위한 가상 기계 (컴퓨터)'를 말하며 Java Byte Code(.class)를 OS에 맞게 해석해주는 역할을 수행한다.

JVM 덕분에 자바는 어떠한 운영체제 위에서도 실행 파일의 변경 없이, 즉 다시 컴파일할 필요 없이 동일한 모습으로 실행 가능하다.

출처 https://oggwa.tistory.com/73

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  • 일반 애플리케이션의 코드는 OS를 거쳐 바로 컴퓨터(하드웨어)로 전달되는데 자바 애플리케이션의 코드는 JVM을 거친 뒤 OS에서 컴퓨터로 전달된다.

  • 자바 코드는 컴퓨터에서 바로 실행한, 완전히 컴파일된 상태가 아니고 실행 시 JVM을 통해 해석되기 때문에 속도가 느리다는 단점이 있다.

  • 요즘엔 바이트코드를 기계어로 바로 변환해주는 JIT 컴파일러와 향상된 최적화 기술이 적용되어 속도 문제는 상당히 개선되었다.

  • 자바로 작성된 애플리케이션은 모두 JVM 위에서 실행되기 때문에 자바 애플리케이션 실행을 위해서는 JVM이 꼭 필요하다.



바이트 코드란 무엇인가

바이트 코드란 자바 가상 머신이 이해할 수 있는 코드를 의미한다. 자바 컴파일러로 변환되는 코드의 명령어 크기가 1바이트라서 바이트코드라고 불린다고 한다.

자바는 OS에 종속적이지 않기 위해 JVM이 이해할 수 있는 언어인 바이트 코드 형태로 제공되며 바이트코드와 JVM 덕분에 자바는 어떠한 OS에서도 동일하게 실행될 수 있다.


바이너리 코드 vs 바이트 코드

  • 바이너리 코드
    • 컴퓨터(CPU)가 인식할 수 있는 코드
    • 기계어는 0과 1로 구성된 바이너리 코드
  • 바이트 코드
    • CPU가 아닌 가상 머신이 이해할 수 있는 코드
    • 가상 머신이 인식할 수 있는 0과 1로 이루어진 이진코드
    • 고급언어(인간의 언어)로 작성된 소스 코드를 가상 머신이 이해할 수 있는 중간 코드로 컴파일 한 것


JAVA 코드가 실행되는 과정

출처 https://cocomo.tistory.com/499

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컴파일 단계

  1. 소스코드(.java)가 자바 컴파일러인 javac에 의해 JVM을 위한 중간 단계의 코드인 자바 바이트 코드(.class)로 컴파일된다.

런타임 단계

  1. Class Loader는 동적 로딩을 통해 컴파일된 클래스들을(바이트 코드) JVM 내로 로드하고 적재한다.

  2. 이 때 클래스들은 Runtime Data Area, 즉 JVM의 메모리에 올라간다.

  3. Execution Engine은 바이트 코드를 기계어로 바꿔주는데, 이 때 인터프리터, JIT 컴파일러 두 가지 방식이 있다.


컴파일 vs 링크 vs 런타임

  • 컴파일

    • 컴파일 시간은 프로그램이 빌드될 때 발생한다. 즉, 빌드 단계 중 컴파일이 포함되어있다.

      • 빌드 : 소스코드 파일을 실행 가능한 소프트웨어로 만드는 과정

    • 컴파일이란 개발자가 작성한 소스 코드를 바이너리 코드(기계어)로 변환하는 과정

  • 링크

    • 여러개로 분리된 소스파일들을 최종 실행 가능한 파일을 만들기 위해 서로 연결해주는 작업

    • 링크의 종류

      • 정적 링크 (Static Link) : 컴파일된 소스파일을 연결해 실행 가능한 파일을 만드는 것

      • 동적 링크 (Dynamic Link) : 프로그램 실행 도중 프로그램 외부에서 코드를 찾아 연결해주는 것

    • 자바 프로그램 실행 도중 JVM이 필요한 클래스를 찾아서 클래스패스에 로드해주는데 이는 동적링크의 예이다.

  • 런타임

    • 컴파일 과정을 마친 프로그램이 실행, 동작되는 과정


JAVA의 컴파일과 실행

컴파일이란?

컴파일이란 사람이 이해하는 언어(원시 코드)를 컴퓨터가 이해하는 언어(목적 코드)로 바꿔주는 과정을 말한다.

이러한 작업을 해주는 프로그램을 컴파일러라고 부른다.

컴파일

자바에서 컴파일이란 .java 파일을 .class 파일 (Byte Code)로 만드는 과정을 말한다.

  • JDK에 포함되어있는 javac (java compiler) 명령어를 사용
  # javac example.java
  
  # ls
  example.java
  example.class <- Byte Code

실행

  • .class 파일을 실행할 때는 java 명령어를 사용
  # java example.class

JVM 구성요소

JVM은 크게 세 가지 구성요소를 가진다.

  1. Class Loader
  2. Runtime Data Area
    • Method Area
    • Heap
    • Stack
    • PC Register
    • Native Method Stack
  3. Execution Engine
    • Garbage Collector
    • Interpreter
    • JIT (Just-In-Time)

출처 https://javatutorial.net/jvm-explained

Java Virtual Machine architecture diagram

1. Class Loader

  • 자바는 동적으로 클래스를 로드를 하기 때문에 런타임시 필요한 클래스를 로드하고 링크한다.

  • 이 때 Class Loader는 JVM 속으로 클래스(.class)를 로드하고 적재하는 작업을 수행

  • 보통 가장 처음에 로드되는 클래스는 static main() 메소드를 사용해 정의된다.


2. Runtime Data Area

  • JVM이 프로그램을 실행하기 위해 운영체제로부터 할당받은 메모리 공간

  • Class Loader가 배치한 데이터들을 보관하는 저장소로 다섯 가지의 구성요소로 나뉘어져 있다.

    • Method Area, Heap Area, Stack Area, PC Registers, Native Method Stacks
    • Stack , PC, Native Method Stacks는 쓰레드마다 하나씩 생성되며 그 외의 메모리 영역은 모든 쓰레드가 공유함

(1) Method Area (Static)

  • 메소드 영역은 JVM 메모리 영역 중 가장 먼저 데이터가 저장되는 곳이며 JVM 시작시 생성되어 프로그램 종료 전까지 유지됨

  • 적재된 클래스 파일들, 프로그램 실행에 필요한 클래스, 인터페이스, 메소드, Static 변수, 필드 저장

    • 클래스 파일 (= 메타정보 / 메소드 +클래스 변수)

  • JVM에서 클래스를 실행하면 메소드 영역에서 클래스 정보를 복사해 힙 영역에서 메모리를 할당해 실행한다.

  • JVM에서 실행되고 있는 모든 쓰레드가 공유


(2) Heap Area (동적 할당 영역)

  • 런타임시 동적으로 메모리가 할당되고 소멸되는 영역

  • GC (Garbage Collection)를 수행하는 영역

  • Class를 실행해 객체(Instance)를 생성하면 Heap에 저장됨

    • 소스 상 new 연산자 호출시

  • JVM에서 실행되고 있는 모든 쓰레드가 공유


(3) Stack Area (정적 할당 영역)

  • 호출된 메소드와 메소드 정보가 저장되는 영역

    • 메소드가 실행될 때마다 매개변수, 로컬 변수, 복귀 주소 등이 저장됨
    • 메소드 종료시 메모리 공간이 소멸됨

  • 각 쓰레드 마다 하나씩 존재하며, 쓰레드가 시작될 때 할당받음


(4) PC Registers

  • 현재 JVM이 수행할 명령어의 주소를 저장하는 메모리 공간

  • 자바에서는 쓰레드 마다 별도의 PC 레지스터가 존재하며 쓰레드가 시작될 때 메모리를 할당받는다. 이곳에는 쓰레드가 실행할 명령의 주소가 저장됨


(5) Native Method Stacks

  • 하드웨어 정보인 OS의 시스템 정보, 리소스를 사용하거나 접근하기 위한 코드를 저장

  • 자바 프로그램은 JNI(Java Native Interface) API를 사용하면 OS 시스템에 접근이 가능하다. 주로 C, C++ 등으로 작성되어있음


3. Execution Engine

  • 실행 엔진은 바이트코드를 읽고 실행하는 역할을 한다.

  • 바이트코드를 실행하는 두 가지 방식이 있다.

    • 인터프리터
    • JIT(Just-In-Time) 컴파일러

(1) 인터프리터 방식

인터프리터 방식이란 자바 바이트 코드를 한 줄씩 읽고 해석하는 방식을 말한다. 하나씩 해석하고 처리하기 때문에 전체 코드의 관점에서 봤을 때 속도가 느리다는 단점이 있다.

  • 소스코드가 수정될 때마다 재컴파일해줘야 하는 정적 컴파일 방식(C, C++)과 달리 인터프리터 방식은 컴파일 과정을 거칠 필요 없이 수정이 쉽다는 장점이 있다.

  • 이 때문에 인터프리터 언어는 수정이 빈번히 발생하는 프로그래밍에서 많이 사용된다.

  • Java, Python, Ruby, 웹 브라우저에서 동작하는 CSS, Javascript는 인터프리터 언어의 예이다.


(2) JIT(Just-In-Time) 컴파일러

  • 인터프리터 : 소스코드를 한 문장씩 읽고 바로 기계어로 바꿔줌

  • 컴파일러 : 전체 소스코드를 전부 읽어 기계어 파일로 바꾸고 그 후에 변환된 코드를 실행

JIT(Just-In-Time) 컴파일러는 인터프리터 방식의 단점인 속도 문제를 해결하기 위해 나온 인터프리터와 컴파일러를 결합한 방식이다.

  • 처음엔 인터프리터 방식을 사용하다가 적정한 때에 바이트코드 전체를 기계어로 바꾼다.

  • 인터프리터 방식으로 바이트코드를 기계어로 번역할 때 중복된 코드를 캐싱하여 똑같은 코드를 매번 번역하는 것을 방지해 속도를 보완해준다.


Gargabe Collector

  • JVM이 메모리를 관리하는 방법

  • 동적으로 할당된 Heap 메모리 영역에서 더 이상 참조하지 않아 필요 없는 영역을 해제한다.



JDK와 JRE의 차이

출처 https://www.intexsoft.com/blog/post/jvm.html

Tools for Launching and Developing Products on JVM - IntexSoft

JRE(Java Runtime Environment)

  • JRE는 자바 실행 환경의 약자이다.

  • JRE는 JVM의 실행 환경을 구현한 것

  • JVM과 JVM이 자바 프로그램을 동작시킬 때 필요한 라이브러리 파일들과 기타 파일들을 가지고 잇다.

  • 자바를 실행시키 위해서는 JRE가 필요하지만 자바 프로그래밍 도구는 포함되어 있지 않아서 개발을 위해서는 JDK를 설치해야한다.


JDK (Java Development Kit)

  • JDK는 자바 개발 도구의 약자이다

  • JDK는 JRE + 개발에 필요한 도구 (javac, java) 등을 포함한다.



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