Study 1. JVM 🙂

Today's study 🧐

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1. JVM
2. 컴파일&실행하는 방법
3. 바이트코드
4. JVM의 구성 요소
5. JIT 컴파일러
6. JDK vs JRE
7. Stop's Question

1. JVM

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Java Virtual Machine 의 줄임말

💡 JVM은 자바 가상 머신으로 OS와 JAVA 애플리케이션 중개자 역할을 하여 하나의 바이트 코드(.class)로 모든 플랫폼에서 동작하도록 할 수 있다.

C와 Java를 비교해보자.

C

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C 언어의 경우 Test.c 코드를 각 OS에 실행시키기 위해서는 컴파일을 각 OS 맞게 따로 해주어야 한다.

Java

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하지만 Java의 경우는 Test.java를 컴파일하였을 때 생성되는 Test.class 파일을 각 OS의 JVM을 통해 바로 실행파일로 바꿔 주기 때문에 컴파일을 따로 할 필요가 없는 것이다.

2. 컴파일&실행하는 방법

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실제로 컴파일 & 실행을 하기 위해서는 어떻게 해야하는지 알아보자. ( ※ 컴파일과 실행은 해당 java파일이 있는 위치에서 진행해야 한다. )

1. Java Source code를 작성한다. (Test.java 생성)
2. 컴파일 : Java Compiler가 이를 컴파일하여 Test.class파일을 생성한다. 이는 자바 바이트 코드로 컴퓨터는 읽을 수 없고 JVM이 읽을 수 있는 코드이다. (컴파일러개론 시간에 배웠던 어휘분석->구문분석->의미분석->바이트코드 의 과정이 수행되는 것이다.)

   $javac Test.java

3. Test.class 파일을 JVM의 Class Loader에게 전달한다.

4. Class Loader는 런타임 데이터영역, 즉 JVM 메모리에 바이트 코드들을 올린다.
5. 실행 : 이렇게 올라온 바이트 코드들을 실행엔진이 하나씩 가져와 실행한다.

   $java Test

3. 바이트코드

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💡 Java bytecode는 JVM이 이해할 수 있는 언어로 변환된 Java Source code를 말한다. 자바 컴파일러에 의해 변환되는 코드의 명령어 크기가 1 byte라서 바이트코드라고 불리고 있다.

4. JVM의 구성 요소

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💡 JVM은 크게 3가지 (클래스 로더, 메모리, 실행 엔진)로 구성된다.

1) 클래스 로더 (Class Loader)

JVM 내로 Test.class 파일을 로드하여 링크를 통해 배치하는 작업을 수행한다.

자바는 동적로딩을 지원하기 때문에 한번에 메모리의 모든 클래스를 로드하지 않고, 필요한 순간에 필요한 클래스를 찾아 메모리에 로딩해주게 되는데 이 역할을 Class Loader가 하게 된다.

2) 메모리

- 힙
인스턴스화 된 모든 클래스의 인스턴스와 배열, 객체를 저장한다.

모든 JVM 스레드에 공유되는 공유자원으로 Garbage Collector만 힙의 메모리에 대한 회수 권한이 있다.

Garbage Collector : 힙 메모리 영역에 생성된 객체들 중에서 참조되지 않은 객체들을 탐색한 후 제거하는 역할을 한다. 메모리 관리를 자동으로 해주고 언제 일을 수행하는지는 알 수 없다.

- 메소드
모든 스레드가 공유하는 영역으로 클래스, 인터페이스, 메소드, 필드, Static 변수 등의 바이트 코드를 보관한다.

- PC 레지스터
스레드가 시작될 때 생성되는 공간으로 스레드마다 하나씩 존재한다. 연산을 위해 필요한 피연산자를 임시로 저장하기위한 용도로 사용한다.

- 스택 (JVM Stack)
메서드를 호출할 때 각각의 스택 프레임이 생성되고 메서드 안에서 사용되는 값, 매개변수, 지역변수, 리턴 값, 연산시 일어나는 값들이 임시로 저장된다. 메서드 수행이 끝나면 프레임별로 삭제되게 된다.

- 네이티브 메소드 스택 (Native Method stack)
JVM의 스택이 아닌 C 스택을 가르키며 자바가 아닌 다른 언어로 작성된 네이티브 메서드를 지원하기 위해 사용되는 스택이다.

3) 실행 엔진 (Execution Engine)

- 자바 인터프리터 (interpreter)

컴파일러에 의해 변환된 바이트 코드(Test.class)를 한줄씩 기계어로 해석하는 역할을 한다.

원래는 JVM에서 인터프리터 방식만 사용했지만 성능 이슈로 인해 JIT 컴파일러를 추가하였다. 소스코드를 빌드할 때는 아무것도 하지 않다가 런타임시에 한줄씩 읽으며 변환한다.

- JIT 컴파일러
이는 다음으로 넘어가 자세히 살펴보겠다.

5. JIT 컴파일러

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Just In Time

💡 JIT 컴파일러는 실행 시점에서 인터프리터 방식으로 기계어 코드를 생성할 때 컴파일 임계치를 넘어간 메소드가 생기면 이를 기계어로 캐싱하여 두고 추후 다시 호출되었을때 이를 참조한다.

컴파일 임계치 (Compile Threshold)
임계치는 메서드가 호출된 횟수와 메서드의 루프를 빠져 나오기까지 돈 횟수를 기반으로 한다. 얼마나 자주 코드가 실행되었는가 이다.
일정 횟수만큼 실행되면 컴파일 임계치에 도달하게 되고 도달한 코드를 대상으로 JIT 컴파일러를 통해 캐싱을 수행하게 된다.

컴파일러만 사용하는 C언어와 인터프리터만 사용하는 Python에 비해 안그래도 느린데 JVM에서까지 바이트코드를 인터프리터로 한줄씩 변환하니 JIT 컴파일러를 도입하여 JVM의 속도를 개선한 것이다.

6. JDK vs JRE

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JDK (Java Development Kit) : 읽기

JDK는 말그대로 Java 개발을 위해 필요한 도구들이다. JDK의 개발도구들 중 하나가 JRE이고, 이 JRE가 JVM을 가지고 있는 형식이다.

JRE (Java Runtime Environment) : 읽기&쓰기

JRE는 자바 프로그램을 실행시킬 수 있는 자바 환경을 말한다. 자바 프로그램을 실행시키기 위해 반드시 있어야 하는 것이다.

💡 위의 사진을 보면 JDK 중 JAVAC가 있고 JRE 중 JAVA가 있다. 이 글의 2번에서 Test.java를 컴파일하였을때 사용했던 $javac와 이를 실행할때 사용했던 $java가 바로 이것이다. JDK의 개발도구들로 Test.java를 작성하고 이를 javac를 사용해 바이트코드로 변환한다. 이 바이트코드를 JRE의 java와 JVM을 사용해 읽고 검증한 후 프로그램을 실행시키는 것이다.

7. Stop's Question 🤷‍♀️

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Q1. JVM은 JAVA언어에서만 사용한다?
🙅‍♀️ JVM을 사용하는 대표적인 언어는 스칼라, JRUBY, 코틀린, JAVA가 있다. ( JAVA와 코틀린을 혼용해서 사용할 수 있는 이유가 이 때문인 것 같다. )

Q2. 인터프리터랑 JIT 컴파일러를 왜 구분해서 써?
소스 코드 한줄을 변환해 바로 실행하는 인터프리터가 실행시작 시간은 컴파일러보다 빠르다. 하지만 전체 실행 속도는 컴파일러가 훨씬 빠르다. 그래서 자주쓰지않는 코드는 line-by-line 실행이 빠르고 자주쓰는 메소드는 전체를 실행해 놓는 JIT 컴파일러를 사용해 저장해놓는 것이다.

Q3. 기계어 vs 바이트 코드 vs 바이너리 코드

• 바이너리 코드 : 컴퓨터(CPU)가 인식할 수 있는 0과 1로 구성된 이진코드
• 바이트 코드 : 가상 머신이 이해할 수 있는 언어로 바이너리 코드로 이루어져 있습니다.
• 기계어 : 바이너리코드로이루어져있는 CPU 제조사에서 CPU를 만들 때 해당 CPU에서 사용하는 명령어 집합을 공개하는데 이걸 기계어라고 한다. CPU가 다르면 기계어가 달라진다.

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본 스터디는 2020 백기선님의 자바스터디의 커리큘럼을 참고하여 진행하고 있습니다.