개요

"어떻게 자바 코드로 File을 포함한 다양한 입출력이 가능할까?"
"내부에서 어떻게 돌아가서 프로세스로 만들어질까?"

이에대한 궁금증을 해소하기 위해서는 운영체제 기초와 JVM 내부 동작방식을 알고 있어야 합니다.

JVM의 내부 구조를 파악한 후 어떻게 동작하는지 흐름을 파악해야 합니다. 이후 위 질문에 답변하기 위해 JNI까지 알아보겠습니다.

목차

1. Compiler
2. Class File
3. ByteCode
4. JVM internal structure

• Class Loader
  loading, linking, initializing
• Execution Engine
  JIT complier, interpreter, Garbage Collector
• Runtime Data Area

본론

Compiler

자바 소스코드를 JVM이 읽을 수 있도록 중간단계 언어인 바이트코드로 변환하는 과정을 수행합니다.
바이트코드를 만들 때 클래스 단위로 생성하기 때문에 전체를 컴파일 할 필요가 없습니다.

public class Hello {
	public Hello();
    	Code:
        	0: aload_0
            1: invokespecial	#1			// Method java/lang/Object."<init>':()V
            4: return
	public static void main(java.lang.String[]);
    	Code:
        	0: getstatic 		#2			// field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
            3: lde				#3			// String HelloWorld!
            5: invokevirtual	#4			// Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
            8: return
}

Class File

Hello.class는 바이트 코드 이외에 여러 정보들이 들어있는 통합 파일입니다.

• 버전 정보
• 접근 제어자
• 슈퍼 클래스
• 선언된 필드
• 메서드
  ...등 해당 클래스에 대한 모든 정보가 들어있습니다.

Class Loader

구조

• Loading
  File -> Memory
  2차 메모리에 있던(SSD, HDD) .Class File들을 Run-time Data Area 메모리 내부의 Method로 로드하는 역할을 맡습니다.
  이때, .Class File의 Bytecode를 읽어서 적절하게 배치합니다.

이 작업이 끝나면 해당 클래스 타입의 Class 객체를 생성하여 heap영역에 저장합니다.
-> reflection 기술 사용가능

"명령어를 저장한다."

• Linking
  • Verifying
    자바 언어 명세, JVM 명세에 명시된 대로 잘 구성되어 있는지 검사하는 단계입니다.
  • Preparing
    field, method(명령어 모음), interface 등을 나타내는 데이터구조 준비 및 이에따른 메모리 공간을 할당하는 단계입니다.
  • Resoving
    Class의 Runtime Constant Pool 안에 있는 Symbolic Reference를 실제 Direct(고정) Reference로 변경하는 단계입니다.
    해당 단계에서 동적 바인딩이 발생합니다. 다형성을 구현할 수 있게 하는 본인입니다.

"레퍼런스를 연결한다."

• Initializing
  클래스가 필요로 하는 메모리 및 값을 할당합니다. -> static 정적 변수 할당

"static 초기화"

종류

• BootStrap Class Loader
  네이티브 코드로 작성되어 있습니다.
  JVM을 처음 시작할 때 실행되며 java.lang 패키지 등의 JVM 실행에 필요한 필수 클래스들을 로딩합니다.

• Extension Class Loader -> Platform Class Loader
java.lang.ClassLoader의 인스턴스입니다.
  java SE platform API 등 자바에서 기본적으로 제공해주는 클래스를 로딩할 때 사용합니다.
  Bootstrap Class Loader를 부모로 가지고 있습니다.

• Application Class Loader -> System Class Loader
java.lang.ClassLoader의 인스턴스입니다.
  유저가 작성한 클래스를 로딩할 때 사용됩니다.
  Platform Class Loader를 부모로 가지고 있습니다.

reflection

클래스 로딩이 끝나면,
클래스 타입의 인스턴스를 만들어서 heap에 저장하므로 __.class을 통해 인스턴스를 가져올 수 있습니다.

자세한 동작은 리플렉션 포스팅을 참고해주세요.

caching

Execution Engine

interpreter

JIT compiler (Just-In-Time)

GC (Garbage Collector)

Runtime Data Area

Method Area

클래스 수준의 정보를 저장합니다.
다른 영역에서도 공유할 수 있습니다.

모든 프로그램는 운영체제 내에서 동작하도록 되어있습니다.
JVM을 통해서 만들어진 프로세스도 마찬가지입니다.

자바 코드를 컴파일한 바이트 코드를 JVM이 해석하여
운영체제 및 CPU가 이해할 수 있는 코드로 변경하기 때문에
File 등을 자바코드 만으로 조작할 수 있습니다.

참조

Java 혁신의 숨은 공신, JVM의 구조와 동작 원리 - 개발장
"[Java] 참조 타입과 참조 변수" - 불곰
"JVM Internal" - James D Bloom
JVM Internal - Naver D2
JVM stack과 frame
더 자바, 코드를 조작하는 다양한 방법 - 백기선
자바의 실행 과정 - pond1029
10분 테코톡 JVM Memory Layout - 어썸오
스택 기반 VM과 레지스터 기반 VM - 쿠키
Java의 메모리 구조_기본구조[1/3] - 코데방
Java 프로그램의 실행원리(feat. JVM) - ikjo