1. 자바 프로그램의 실행 과정
1. 자바 컴파일러(Java compiler)
자바 컴파일러는 자바를 가지고 작성한 자바 소스 코드를 자바 가상 머신이 이해할 수 있는 자바 바이트 코드로 변환합니다. 자바 컴파일러는 자바를 설치하면 javac.exe라는 실행 파일 형태로 설치됩니다.
2. 자바 바이트 코드(Java bytecode)
자바 바이트 코드(Java bytecode)란 자바 가상 머신이 이해할 수 있는 언어로 변환된 자바 소스 코드를 의미합니다. 이러한 자바 바이트 코드의 확장자는 .class입니다. 자바 바이트 코드는 자바 가상 머신만 설치되어 있으면, 어떤 운영체제에서라도 실행될 수 있습니다.
2. JVM이란?
JVM은 Java Virtual Machine의 약자로, 자바 가상 머신이라고 부릅니다. 그리고 자바와 운영체제 사이에서 중개자 역할을 수행하며, 자바가 운영체제에 구애 받지 않고 프로그램을 실행할 수 있도록 도와줍니다. 또한, 가비지 컬렉터를 사용한 메모리 관리도 자동으로 수행하며, 다른 하드웨어와 다르게 레지스터 기반이 아닌 스택 기반으로 동작합니다.
아래는 자바 프로그램의 실행 단계입니다.
먼저, 자바 컴파일러에 의해 자바 소스 파일은 바이트 코드로 변환됩니다. 그리고 이러한 바이트 코드를 JVM에서 읽어 들인 다음에, 이것저것 복잡한 과정을 거쳐서 어떤 운영체제든간에 프로그램을 실행할 수 있도록 만드는 것입니다.
만약, 자바 소스 파일은 리눅스에서 만들었고 윈도우에서 이 파일을 실행하고 싶다면, 윈도우용 JVM을 설치만 하면 됩니다. 여기서 JVM은 운영체제에 종속적이라는 특징을 알 수 있습니다.
3. JVM 메모리 구조
위에서 자바 프로그램의 실행 단계를 아주 간략하게 소개하였는데, JVM의 구체적인 수행 과정은 언급하지 않았습니다. 이제부터는 JVM이 정확히 어떻게 동작을 하고 구조가 어떤지 알아보겠습니다.
아래는 자바 프로그램의 실행 단계입니다. 분량상 운영체제 도형은 생략하였습니다. JVM의 구조는 크게 보면, Garbage Collector, Execution Engine, Class Loader, Runtime Data Area로, 4가지로 나눌 수 있습니다.
위에서 설명하였듯이, 자바 소스 파일은 자바 컴파일러에 의해서 바이트 코드 형태인 클래스 파일이 됩니다. 그리고 이 클래스 파일은 클래스 로더가 읽어들이면서 JVM이 수행됩니다.
- (1) Class Loader
JVM 내로 클래스 파일을 로드하고, 링크를 통해 배치하는 작업을 수행하는 모듈입니다. 런타임 시에 동적으로 클래스를 로드합니다.
- (2) Execution Engine
클래스 로더를 통해 JVM 내의 Runtime Data Area에 배치된 바이트 코드들을 명렁어 단위로 읽어서 실행합니다. 최초 JVM이 나왔을 당시에는 인터프리터 방식이었기때문에 속도가 느리다는 단점이 있었지만 JIT 컴파일러 방식을 통해 이 점을 보완하였습니다. JIT는 바이트 코드를 어셈블러 같은 네이티브 코드로 바꿈으로써 실행이 빠르지만 역시 변환하는데 비용이 발생하였습니다. 이 같은 이유로 JVM은 모든 코드를 JIT 컴파일러 방식으로 실행하지 않고, 인터프리터 방식을 사용하다가 일정한 기준이 넘어가면 JIT 컴파일러 방식으로 실행합니다.
- (3) Garbage Collector
Garbage Collector(GC)는 힙 메모리 영역에 생성된 객체들 중에서 참조되지 않은 객체들을 탐색 후 제거하는 역할을 합니다. 이때, GC가 역할을 하는 시간은 언제인지 정확히 알 수 없습니다.
- (4) Runtime Data Area
JVM의 메모리 영역으로 자바 애플리케이션을 실행할 때 사용되는 데이터들을 적재하는 영역입니다. 이 영역은 크게 Method Area, Heap Area, Stack Area, PC Register, Native Method Stack로 나눌 수 있습니다.
- (1) Method area
모든 쓰레드가 공유하는 메모리 영역입니다. 메소드 영역은 클래스, 인터페이스, 메소드, 필드, Static 변수 등의 바이트 코드를 보관합니다.
- (2) Heap area
모든 쓰레드가 공유하며, new 키워드로 생성된 객체와 배열이 생성되는 영역입니다. 또한, 메소드 영역에 로드된 클래스만 생성이 가능하고 Garbage Collector가 참조되지 않는 메모리를 확인하고 제거하는 영역입니다.
- (3) Stack area
메서드 호출 시마다 각각의 스택 프레임(그 메서드만을 위한 공간)이 생성합니다. 그리고 메서드 안에서 사용되는 값들을 저장하고, 호출된 메서드의 매개변수, 지역변수, 리턴 값 및 연산 시 일어나는 값들을 임시로 저장합니다. 마지막으로, 메서드 수행이 끝나면 프레임별로 삭제합니다.
4. PC Register
쓰레드가 시작될 때 생성되며, 생성될 때마다 생성되는 공간으로 쓰레드마다 하나씩 존재합니다. 쓰레드가 어떤 부분을 무슨 명령으로 실행해야할 지에 대한 기록을 하는 부분으로 현재 수행중인 JVM 명령의 주소를 갖습니다.
5. Native method stack
자바 외 언어로 작성된 네이티브 코드를 위한 메모리 영역입니다.
x. reference
