[JAVA] 컴파일 과정과 JVM 구조

giggle·2023년 8월 27일

컴파일 과정

컴파일이란?

컴파일(Compile)은 프로그래밍 언어로 작성된 소스 코드를 컴퓨터가 실행 가능한 기계어로 변환하는 과정을 말합니다. 프로그래머가 이해하기 쉬운 고수준 언어로 작성된 코드를 컴퓨터가 이해하고 실행할 수 있는 저수준 언어로 변환하는 작업이 컴파일 과정입니다. 컴파일러는 소스 코드를 문법에 맞게 분석하고 중간 코드(Intermediate Code)나 바이너리 코드(Binary Code)로 변환합니다. 이렇게 변환된 코드는 컴퓨터의 프로세서가 이해하고 실행할 수 있는 형태로 되어 있습니다.

컴파일 순서

개발자가 자바 소스코드(.java)를 작성합니다.
자바 컴파일러(Java Compiler)가 자바 소스파일을 컴파일합니다. 이때 나오는 파일은 자바 바이트 코드(.class)파일로 아직 컴퓨터가 읽을 수 없는 자바 가상 머신이 이해할 수 있는 코드입니다. 바이트 코드의 각 명령어는 1바이트 크기의 Opcode와 추가 피연산자로 이루어져 있습니다.
컴파일된 바이트 코드를 JVM의 클래스로더(Class Loader)에게 전달합니다.
클래스 로더는 동적로딩(Dynamic Loading)을 통해 필요한 클래스들을 로딩 및 링크하여 런타임 데이터 영역(Runtime Data area), 즉 JVM의 메모리에 올립니다.

클래스 로더 세부 동작

로드 : 클래스 파일을 가져와서 JVM의 메모리에 로드합니다.
검증 : 자바 언어 명세(Java Language Specification) 및 JVM 명세에 명시된 대로 구성되어 있는지 검사합니다.
준비 : 클래스가 필요로 하는 메모리를 할당합니다. (필드, 메서드, 인터페이스 등등)
분석 : 클래스의 상수 풀 내 모든 심볼릭 레퍼런스를 다이렉트 레퍼런스로 변경합니다.
초기화 : 클래스 변수들을 적절한 값으로 초기화합니다. (static 필드)

실행엔진(Execution Engine)은 JVM 메모리에 올라온 바이트 코드들을 명령어 단위로 하나씩 가져와서 실행합니다. 이때, 실행 엔진은 두가지 방식으로 변경합니다.
- 인터프리터 : 바이트 코드 명령어를 하나씩 읽어서 해석하고 실행합니다. 하나하나의 실행은 빠르나, 전체적인 실행 속도가 느리다는 단점을 가집니다.
- JIT 컴파일러(Just-In-Time Compiler) : 인터프리터의 단점을 보완하기 위해 도입된 방식으로 바이트 코드 전체를 컴파일하여 바이너리 코드로 변경하고 이후에는 해당 메서드를 더이상 인터프리팅 하지 않고, 바이너리 코드로 직접 실행하는 방식입니다. 하나씩 인터프리팅하여 실행하는 것이 아니라 바이트 코드 전체가 컴파일된 바이너리 코드를 실행하는 것이기 때문에 전체적인 실행속도는 인터프리팅 방식보다 빠릅니다.

JVM 이란?

자바 가상 머신 JVM(Java Virtual Machine)은 자바 프로그램 실행환경을 만들어 주는 소프트웨어입니다. 자바 코드를 컴파일하여 .class 바이트 코드로 만들면 이 코드가 자바 가상 머신 환경에서 실행됩니다. JVM은 자바 실행 환경 JRE(Java Runtime Environment)에 포함되어 있습니다.

기능

자바 프로그램이 어느 기기나 운영체제 상에서도 실행될 수 있도록 하는 것
프로그램 메모리를 최적화하고 관리할 수 있는 것

JVM 구조

자바 컴파일러

자바 소스코드(.java)를 바이트 코드(.class)로 변환시켜줍니다.

클래스 로더(Class Loader)

자바는 동적으로 클래스를 읽어오므로, 프로그램이 실행 중인 런타임에서야 모든 코드가 자바 가상 머신과 연결됩니다. 이렇게 동적으로 클래스를 로딩해주는 역할을 하는 것이 바로 클래스 로더(class loader)입니다.
자바에서 소스를 작성하면 .java파일이 생성되고 .java소스를 컴파일러가 컴파일하면 .class파일이 생성되는데 클래스 로더는 .class 파일을 묶어서 JVM이 운영체제로부터 할당받은 메모리 영역인 Runtime Data Area로 적재합니다

실행 엔진(Execution Engine)

JVM으로 로드된 .class 파일(바이트코드)들은 Runtime Data Areas의 Method Area에 배치되는데, 배치된 이후에 JVM은 Method Area의 바이트 코드를 실행 엔진(Execution Engine)에 제공하여, 정의된 내용대로 바이트 코드를 실행시킵니다.

스레드(Thread) 마다 하나씩 생성

PC 레지스터 : 스레드가 어떤 명령어로 실행되어야 할지 기록하는 부분(JVM 명령의 주소를 보유)
스택 Area : 지역변수, 매개변수, 메서드 정보, 임시 데이터 등을 저장
네이티브 메서드 스택 : 실제 실행할 수 있는 기계어로 작성된 프로그램을 실행시키는 영역

모든 스레드가 공유해서 사용 (GC의 대상)

힙 : 런타임에 동적으로 할당되는 데이터가 저장되는 영역. 객체나 배열 생성이 여기에 해당
(또한 힙에 할당된 데이터들은 가비지컬렉터의 대상이 됨. JVM 성능 이슈에서 가장 많이 언급되는 공간)
메서드 영역 : JVM이 시작될 때 생성되고, JVM이 읽은 각각의 클래스와 인터페이스에 대한 런타임 상수 풀, 필드 및 메서드 코드, 정적 변수, 메서드의 바이트 코드 등을 보관

가비지 컬렉터(Garbage Collector)

자바 이전에는 프로그래머가 모든 프로그램 메모리를 관리했음 하지만, 자바에서는 JVM이 프로그램 메모리를 관리합니다.
JVM은 가비지 컬렉션이라는 프로세스를 통해 메모리를 관리함. 가비지 컬렉션은 자바 프로그램에서 사용되지 않는 메모리를 지속적으로 찾아내서 제거하는 역할을 합니다.

실행순서 : 참조되지 않은 객체들을 탐색 후 삭제 → 삭제된 객체의 메모리 반환 → 힙 메모리 재사용