[JAVA] JVM은 무엇이며 자바 코드는 어떻게 실행하는 것인가. #1

퇴근길에 개발하기(땡진)·2021년 6월 3일

이 포스팅은 백기선님이 2020년 11월 진행하신 라이브 스터디과정을 토대로 작성되었습니다. 아래 URL에 들어가시면 다른 분들이 정리하신(그리고 제가 참고한) 자료들이 올라와 있습니다.
https://github.com/whiteship/live-study/issues/1

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목표

자바 소스 파일(.java)을 JVM으로 실행하는 과정 이해하기.

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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1. JVM이란 무엇인가

JVM: Java Virtual Machine의 약자
Linux, Mac, Windows 등 서로 다른 OS에 맞게 java byte code를 해석해주는 역할

자바 소스파일(.java)를 JVM으로 실행하는 과정

1) java compiler(javac.exe)가 .java파일을 .class파일(java byte code)로 변환
-> byte code는 기계어가 아니어서 os에서 바로 실행되지 않음
2) byte code를 os가 이해할 수 있도록 jvm이 해석해줌
-> 이 해석과정때문에 jvm이 속도가 느렸지만, JIT(just in time) 컴파일러 구현을 통해 이를 극복
3) byte code는 jvm 위에서 os 상관없이 실행됨
-> os에 종속적이지 않고 디바이스에 상관없이 java파일이 jvm위에서 실행된다
-> java의 가장 큰 장점
4) jvm의 구성 컴포넌트 4가지
- Class Loader
- Runtime Data Areas(메모리)
- Execution Engine(실행 엔진)
- Garbage Collecor

2. 컴파일 하는 방법/ 실행하는 방법

java 컴파일 과정

1) 개발자들이 ide나 terminal환경에서 .java파일을 생성한다.
2) 그 후 build작업을 통해 java compiler(javac.exe)가 .class파일을 생성한다.
3) .class파일은 클래스 로더에 의해 JVM 내로 로드되고, 실행엔진에 의해 기계어로 해석되어 메모리상(Runtime Data Area)에 배치된다.
- 실행엔진의 종류: 인터프리터, JIT Compiler
- 인터프리터
바이트코드를 한 줄씩 읽어 실행이 느림
- JIT Compiler
인터프리터의 단점을 보완, 인터프리터 방식으로 실행하다가 적절한 시점에 바이트코드 전체를 컴파일 한 후 더이상 인터프리팅 하지 않고 해당 코드 직접 실행
캐시 사용으로 한 번 컴파일하면 다음에는 빠르게 수행

3. 바이트코드란 무엇인가

특정 하드웨어가 아닌, 가상컴퓨터에서 돌아가는 실행 프로그램을 위한 이진 표현법
하드웨어가 아닌 소프트웨어에서 처리되기 때문에 보통 기계어보다 더 추상적
java의 경우 사용자가 작성한 .java 소스코드 파일을 JVM에서 운영체제에 실행 가능한 명령어 집합 파일로 컴파일하는 과정 중에 필요한 코드
JVM이 이해할 수 있는 언어로 변환된 자바 소스코드를 의미
자바 컴파일러에 의해 변환되는 코드의 명령어 크기가 1byte라서 자바 바이트코드라고 불림

4. JIT 컴파일러란 무엇이며 어떻게 동작하는지

JIT 컴파일러

Just In Time의 약자
프로그램을 실제 실행하는 시점에 기계어로 번역하는 컴파일 기법
컴퓨터 프로그램을 만드는 전통적인 방식(인터프리트 방식, 컴파일 방식) 두 가지를 혼합
JVM, .NET, V8(node.js)에서 JIT 컴파일 지원
바이트코드를 읽어 빠른 속도로 기계어를 생성함

동작방법

출처: https://miro.medium.com/max/1400/1*VFo0CC-chzvqJk6sls6ukQ.png

JIT 컴파일러는 JRE안에 존재함
같은 코드를 매번 해석하지 않고, 실행할 때 컴파일을 하면서 해당 코드를 캐싱함
이후엔 바뀐 부분만 컴파일하고 나머지는 캐싱된 코드를 사용
이러한 방식으로 인터프리터의 속도를 개선 가능

5. JVM 구성 요소

jvm의 구성 컴포넌트 4가지

Class Loader
Runtime Data Areas(메모리)
Execution Engine(실행 엔진)
Garbage Collecor

출처: https://www.guru99.com/images/1/2.png

Class Loader

컴파일 결과로 만들어진 .class 바이트코드 파일을 읽어들여 메모리에 배치한다.
로딩, 링크, 초기화 세 가지 과정을 거친다.

Runtime Data Areas(메모리)

JVM이 프로그램을 수행하기 위해 운영체제로부터 할당 받는 메모리 영역
각각의 목적에 따라 5개 영역으로 나뉨
Method Area: 메타데이터, 상수 런타임 풀, 메서드에 대한 코드와 같은 클래스 구조를 저장하며, 공유자원(다른 스레드에서도 활용 가능)이다.
Heap: 모든 개체, 관련 인스턴스 변수 및 배열 저장
JVM Language Stacks: 로컬변수를 저장하고 부분적인 결과를 얻음
PC Registers: 현재 실행중인 Java 가상시스템 명령의 주소를 저장
Native Method Stack: 네이티브 라이브러리에 따라 네이티브 코드 명령을 보관

Execution Engine(실행 엔진)

Class Loader에 의해 JVM으로 Load된 Class파일(바이트코드)들은 Runtime Data Areas의 Method Area에 배치됨
JVM은 Method Area에 배치된 바이트코드를 Execution Engine에 제공하여 Class에 정의된 내용대로 바이트 코드를 실행시킴
Execution Engine은 Load된 바이트코드를 실행하는 Runtime Module