[Java] Java 기초(1)

1. JVM이란

JVM이란 Java Virtual Machine의 줄임말로 Java Byte Code를 OS에 맞게 해석해주는 역할을 한다.

Java Byte Code

자바 가상 머신(JVM)이 이해할 수 있는 언어로 변환된 자바 소스 코드

• 운영체제별로 프로그램을 실행하고 관리하는 방법이 다르기 때문에 운영체제와 자바 프로그램을 중계하는 JVM을 두어 자바 프로그램이 여러 운영체제에서 동일한 실행 결과가 나오게 한다.
• Java Byte Code의 확장자는 .class

따라서 OS에 종속적이지 않고 Java 파일 하나만 만들면 어느 디바이스든 JVM 위에서 실행할 수 있다는 것이 Java의 큰 장점이다.

2. JVM 구성 요소

JVM은 크게 4가지 구성으로 나누어진다.
1. Class Loader
2. Execution Engine
3. Garbage Collector
4. Runtime Data Area

2-1. Class Loader

: Java 컴파일러에 의해 Byte Code로 변환된 클래스를 읽어들여 Runtime Data Area에 적재한다.

2-2. Execution Engine

: Class Loader에 의해 Runtime Data Area에 적재된 클래스(Byte Code)를 기계어로 변환하고 실행한다.

2-3. Garbage Collector

: Garbage Collector(GC)는 Heap 영역에 생성되어 있는 객체들 중 참조되지 않은 객체를 찾아 제거한다.

• GC가 실행되는 시간은 정해져 있지 않다. 특히 Full GC가 발생하는 경우, GC를 제외한 모든 스레드가 중지되기 때문에 장애가 발생할 수 있다.

2-4. Runtime Data Area

: JVM의 메모리 영역으로, Java 애플리케이션을 실행할 때 사용되는 데이터들을 적재한다.

• Method Area
  : 클래스 정보가 저장되는 공간
• Heap Area
  : new 키워드에 의해 생성되는 클래스와 배열 등이 저장되는 공간
• Stack Area
  : 지역 변수, 파라미터, 리턴 값, 연산에 사용되는 임시 값 등이 생성되는 영역
• PC Register
  : 스레드가 생성될 때마다 생성되며, 현재 실행 중인 주소와 명령을 저장하는 영역
• Native Method Stack
  : Java 이외의 코드(JNI)가 저장되는 공간

3. 컴파일하는 방법

terminal창에서 자바 코드를 실행해보기 위해 "hello, world!"를 출력하는 간단한 예제를 작성하였다.
먼저, javaTest파일이 존재하는 디렉토리로 이동해야하기 때문에 경로를 복사해준다.

복사한 파일 경로 : /Users/eojeong-yun/IdeaProjects/javastudy/src/main/java/javaTest.java

복사한 파일의 경로로 이동할때는 마지막에 있는 javaTest.java는 디렉토리가 아니기 때문에 지워야한다.

해당 디렉토리로 옮겨서 하위 목록을 보면 javaTest.java라는 파일이 하나 존재한다.
아래 코드를 입력해주고 다시 목록을 봤을 때 javaTest.class라는 파일이 생성됐으면 컴파일에 성공한 것이다.

$ javac 파일명.java

4. 실행하는 방법

4-1. 컴파일한 후 실행하는 방법

디렉토리 하위 목록을 보면 .java 파일과 .class 파일이 있는 걸 알 수 있다.

아래 코드를 입력하면 코드가 실행된다.

$ java 파일명

4-2. 컴파일하지 않고 실행하는 방법

컴파일을 하지 않았을 때도 자바 코드를 실행해볼 수 있다.
컴파일을 하지 않았을 때는 아래와 같이 Java Byte Code가 없다는 걸 확인할 수 있다.

이럴 때는 아래와 같이 코드 파일에 확장자명까지 추가해주면 된다.

$ java 파일명.java

5. JIT 컴파일러

5-1. JIT 컴파일러란

JIT란 Just In Time의 약자로, JIT 컴파일러는 프로그램을 실행하는 시점에(실시간으로) 기계어로 번역하는 컴파일러이다.

• "한 번 작성하면 어디에서나 실행"이라는 자바의 장점의 핵심인 Byte Code는 애플리케이션에 대한 적절한 기본 명령어로 변환되는 방식에 따라 애플리케이션의 속도에 큰 영향을 미친다.
  • JVM의 표준 구현인 Byte Code로 해석하면 프로그램 실행 속도가 느려진다. 따라서 성능을 향상시키기 위해 JIT 컴파일러는 런타임에 JVM과 상호 작용하고 적절한 Byte Code 시퀀스를 반복적으로 해석하고 상대적으로 긴 변환 프로세스의 패널티를 초래하는 것과는 반대로 원시 코드를 실행할 수 있어 실행 속도의 성능 향상으로 이어질 수 있다.
  • 메소드가 덜 자주 실행되지 않는 한, JIT 컴파일러가 Byte Code를 컴파일하는 데 걸리는 시간은 전체 실행 시간에 추가되며, JIT에 의해 컴파일된 메소드가 자주 호출되지 않으면 Byte Code를 실행하는 인터프리터보다 실행 시간이 길어질 수 있다.
• JIT 컴파일러는 Byte Code를 Native Code로 컴파일할 때 특정 최적화를 수행한다. JIT 컴파일러는 일련의 Byte Code를 Native Code로 변환하므로 몇 가지 간단한 최적화를 수행할 수 있다.
  • JIT 컴파일러가 수행하는 일반적인 최적화 중 일부는 데이터 분석, 스택 작업에서 레지스터 작업으로의 변환, 레지스터 할당에 의한 메모리 액세스 감소, 공통 하위 표현식 제거 등이다.
  • JIT 컴파일러가 수행하는 최적화 수준이 높을 수록 실행 단계에서 더 많으 시간을 소비한다. 따라서 JIT 컴파일러는 실행 시간에 추가되는 오버 헤드와 프로그램에 대한 제한된 보기만 가지고 있기 때문에 정적 컴파일러가 수행하는 모든 최적화를 수행할 여유가 없다.

JIT 컴파일러는 같은 코드를 매번 해석하지 않고 실행할 때 컴파일하면서 해당 코드를 캐싱해버린 후, 바뀐 부분만 컴파일하고 나머지는 캐싱된 코드를 사용한다.
따라서, 인터프리터의 속도를 개선할 수 있다.

5-2. JIT 동작 원리

JIT 컴파일러는 런타임 시 Java 애플리케이션의 성능을 향상시키는 JRE(Java Runtime Environment)의 구성요소이다. Java 프로그램은 Byte Code를 포함하는 클래스로 구성되는데, 런타임에 JVM은 클래스 파일을 로드하고 각 개별 Byte Code의 의미를 결정하고 적절한 계산을 수행한다. 해석 중 추가 프로세서 및 메모리 사용량은 Java 애플리케이션보다 느리게 수행됨을 의미한다. JIT 컴파일러는 런타임에 Byte Code를 Native Code로 컴파일하여 Java 프로그램의 성능을 향상시킨다.

6. JDK와 JRE의 차이

• JDK(Java Development Kit)는 자바 개발 키트이다.
  JDK = JVM + 라이브러리 API + 컴파일러
• JRE(Java Runtime Environment)는 자바 실행 환경이다.
  JRE = JVM + 라이브러리 API

자바 프로그램을 개발하려면 JDK를 사용하면 되고, 개발된 프로그램을 실행만 한다면 JRE만 설치하면 된다.