Week 1-1
Java 꽉 잡아! JVM부터 GC, 스레드 동기화까지!
Java의 정의와 동작 방식에 대해 살펴봅니다.
Java, JRE, JDK, JVM, AOT, JIT, Java Bytecode, Code cache, ByteBuddy
[학습목표]
- Java의 구성요소와 동작 방식
- 클래스 로더와 클래스 로딩
- Java 바이트코드와 코드 캐시
- 바이트코드를 컴파일하는 AOT, JIT 컴파일러
- [아하!모먼트] '내가' 수행 업무와 성과를 따로 기록하는 이유는?
Java의 구성요소와 동작 방식
Java란?
1995년 썬 마이크로시스템즈에서 나온 프로그래밍 언어이며, WORA 사상을 기반으로 설계된 범용 프로그래밍 언어이다.
- Write once, run anywhere
- High-Level Language
- Class based
- JVM을 통해 작동
- 객체 지향 언어 (Object-Oriented Language)
순수 객체 지향 언어의 특징은?
- 모든 사전 정의 데이터 타입과 사용자 정의 타입은 객체여야 한다
- 객체에 대한 모든 작업은 객체 스스로 정해야 한다
- 추상화
- 다형성
- 캡슐화
- 상속
Java 아키텍처
-
Java 플랫폼
- SE, EE, ME 등 JDK를 구현한 제품
- 일반적으로 Java 개발 및 실행 환경을 의미
- 흔히 JDK보다 더 넓은 의미로 사용
-
JDK(Java Development Kit)
- 자바 개발 킷 (JRE + Development Tools)
-
JRE(Java Runtime Environment)
- 자바 실행 환경 (JVM + Library)
-
JVM(Java Virtual Machine)
- 자바 가상 머신 (프로그램 작동)
- Java 바이트코드를 기계어로 변환하고 실행 (+@)
JDK 구성 요소
JDK(+JRE)
- Java 프로그램 실행 및 개발 환경(툴) 제공
- JDK 11 이후 JRE를 포함
- OpenJDK 제공 및 일관된 환경 제공을 위해 단순화
- 기존 JRE는 JVM, Class Loader, Java Class Libraries,
- Resource 등 포함
- JDK 9 버전에 도입된 JPMS로 내부 기능을 모듈화
- JPMS - Java Platform Module System
- 필요한 모듈만 모아 커스텀 JRE 생성해 메모리, 용량 등 절약
- 참고
- 모듈은 코드, 데이터를 그룹화하여 재사용이 가능한 정적인 단위
- 컴포넌트는 독립적으로 실행될 수 있는 소프트웨어 단위
JVM
- JVM(Java Virtual Machine), 자바 가상 머신
- 논리적인 개념, 여러 모듈의 결합체
- Java 앱을 실행하는 주체
- JVM 때문에 다양한 플랫폼 위에서 동작 가능
- 대표적인 역할, 기능
- 클래스 로딩
- GC 등 메모리 관리
- 스레드 관리
- 예외 처리
JVM Architecture
-
Class Loaders
- 바이트코드 로딩, 검증, 링킹 등 수행
-
Runtime Data Areas
- 앱 실행을 위해 사용되는 JVM 메모리 영역
-
Execution Engine
- 메모리 영역에 있는 데이터를 가져와 해당하는 작업 수행
-
JNI (Java Native Interface)
- JVM과 네이티브 라이브러리 간 이진 호환성을 위한 인터페이스
- 네이티브 메서드(네이티브 언어 C/C++ 등으로 작성) 호출, 데이
터 전달과 메모리 관리 등 수행
-
Native Libraries
- 네이티브 메서드의 구현체를 포함한 플랫폼별 라이브러리
Java 동작 방식
Class Loaders(Java 동작 방식)
JVM Architecture: Class Loader System // https://gngsn.tistory.com/252- 클래스 로더는 런타임에 Java 클래스/인터페이스의 바이트코드를 동적으로 메모리에 로딩
- 한 번에 모든 클래스가 메모리에 로드되지 않고 아닌 필요할 때마다 로드
- 로딩 작업은 크게 3가지로 분리됨
- Loading : JVM이 필요한 클래스 파일 로드
- Linking : 로드된 클래스의 verify, prepare, resolve 작업 수행
- Initializing : 클래스/정적 변수 등 초기화
JVM Run - Time Data Areas
-
The pc Register
- 스레드 별로 생성되며 실행 중인 명령(오프셋)을 저장하는 영역
-
Java Virtual Machine Stacks (Stack Area, Java Stack)
- 스레드 별로 생성되며 메서드 실행 관련 정보를 저장하는 영역 (프레임 저장)
-
Heap
- JVM 실행 시 생성되며 모든 객체 인스턴스/배열에 대한 메모리가 할당되는 영역
-
Method Area
- JVM 실행 시 생성되며 클래스의 구조나 정보를 저장하는 영역
-
Native Method Stacks
- 스레드 별로 생성되며 네이티브 코드 실행에 관련 정보를 저장하는 영역
Execution Engine
-
JVM 메모리 영역에 있는 바이트코드를 읽어 네이티브코드로 변환하고 실행
- Interpreter
- 메모리에 로드된 바이트코드를 한줄 씩 해석/실행
- Interpreter
-
JIT(Just-In-Time) Compiler
- 자주 호출되는 메서드(hot method)의 바이트코드를 네이티브 코드로 컴파일
- JVM이 실행 메서드를 모니터, JIT 컴파일러의 프로파일러가 수집한 프로파일 정보를 기반으로 처리
- 중간 코드 생성 > 코드 최적화 > 네이티브 코드 생성
-
GC (Garbage Collector)
- 메모리에서 사용하지 않는 개체를 식별해 삭제하는 프로세스 (대표적으로 Heap 영역)
- 데몬 스레드로 동작 (명시적으로 호출해도 즉시 실행되지 않음)
-
필요한 경우 JNI를 통해 네이티브 메서드 라이브러리를 호출
JNI (Java Native Interface)
- 네이티브 라이브러리 사용을 위한 인터페이스이자 동시에 해당 역할을 수행
- JNI를 통해 JVM내 Java 코드는 네이티브 언어/라이브러리와 상호 운용될 수 있음
- JNI는 Java VM에 의존적이지 않아 다른 부분에 영향을 주지 않고 JNI에 대해서 추가 가능
Native Method Libraries
- 네이티브 언어/어셈블리와 같은 언어로 작성된 네이티브 메서드를 포함한 라이브러리
- JVM에서 호출할 때 JNI를 통해 로딩
컴파일러와 인터프리터
- 컴파일러 (Compile 방식)
- 프로그래밍 언어로 작성된 코드를 타겟 언어로 변환(번역)하는 프로그램
- 주로 High-Level 언어를 Low-Level 언어(assembly, object code, machine code 등)로 변환
- 또한 전처리와 어휘/구문/의미 분석, 코드 최적화(optimization), 기계어 생성 등 역할도 수행
- 인터프리터 (Interpret 방식)
- 읽은 코드 및 해당 명령을 직접 분석/실행하는 프로그램
- 인터프리터 전략
- 코드 구문을 분석, 동작을 직접 수행
- 코드를 object code (중간 코드)로 변환, 즉시 실행
- 컴파일러에 의해 생성된 바이트코드를 명시적으로 실행
- Java는 2, 3 번의 혼합
Java 코드 실행 방식
-
Java는 Interpret? Compile? 무슨 방식일까?
- Java는 두 가지 방식을 혼합하여 사용하는 하이브리드 모델
- javac로 소스 코드를 바이트코드(object code)로 변환
- 변환된 바이트코드를 JVM 인터프리터가 분석, 실행
- Java는 두 가지 방식을 혼합하여 사용하는 하이브리드 모델
-
일반적으로 Java를 컴파일 언어로 분류하는 이유?
- 실제로 javac를 통해 .java 파일을 .class 파일로 컴파일하기 때문에
Java 동작 방식 정리
- 작성한 소스 파일(.java)을 Java 컴파일러(javac)가 바이트코드(.class)로 변환
- JVM이 실행되면 바이트코드 실행에 필요한 것들을 클래스 로더가 로딩
• 메모리에 로딩된 클래스의 구조, 메서드 등 일련 정보들을 JVM 내부에 저장 - 로딩된 클래스의 바이트코드를 JVM의 실행 엔진이 해석, 실행
• 인터프리터를 통해 해석과 동시에 실행
• 추후에 자주 사용되는 메서드 등을 JIT 컴파일러를 통해 네이티브 코드로 변환 - 실행 준비가 모두 완료 되면 JVM은 메인 메서드(Entry point)를 호출
- 호출된 메인 메서드를 실행할 메인 스레드가 생성되며 메인 스레드의 JVM stacks이 생성됨
- 그 후 생성된 메인 스레드 JVM stacks에 메인 메서드 스택 프레임이 생성됨
- 이후 앱이 실행되며 필요한 시점마다 필요한 처리를 수행하며 메모리 확보 및 데이터 저장
• 클래스, 메서드 정보를 Method Area에 저장
• Heap에 해당 인스턴스 할당
• Frame 생성
• JNI 스택 생성 - JVM은 실행되는 Java 앱에 대해서 메모리, 스레드 등 관리
Java 먹자