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Java Live Study 1주차

on Java, Study, Whiteship

[1주차 과제] JVM은 무엇이며 자바 코드는 어떻게 실행하는 것인가

학습 목표

1. JVM 이란 무엇인가

2. 컴파일 하는 방법

3. 실행하는 방법

4. 바이트코드란 무엇인가

5. JIT 컴파일러란 무엇이며 어떻게 동작하는가

6. JVM의 구성요소

7. JDK와 JRE의 차이

1. JVM 이란 무엇인가

JVM : Java Virtual Machine (자바 가상 기계)

  • 실 운영체제를 대신해서 자바 프로그램을 실행하는 가상의 OS 역할
    • 운영체제는 자바 프로그램을 바로 실행할 수 없고, 자바 프로그램은 완전한 기계어가 아닌 중간 단계의 바이트 코드이기 때문에 이를 해석하고 실행할 수 있는 가상의 운영체제가 필요하다.
    • 이를 가능케 해주는 것이 JVM
      • JVM 은 Java와 OS 사이에서 자바 프로그램을 실행하는 중계자 역할을 한다.

JVM 은 왜 있는 것인가? ⇒ OS에 독립적인 Java 프로그램을 위하여

  • 운영체제별로 프로그램을 실행하고 관리하는 방법이 다르기 때문에 운영체제별로 자바 프로그램을 별도로 개발하는 것보단, 운영체제와 자바 프로그램을 중계하는 JVM을 둔다.
  • 그 결과, JVM을 통해 하나의 자바 프로그램을 여러 운영체제에서 실행하더라도 동일한 실행 결과가 나오게 된다.

특징

  • 개발자는 OS와 관계없이 자바 프로그램을 개발할 수 있음
  • 바이트 코드는 모든 JVM에서 동일한 실행 결과를 보장함
  • JVM은 운영체제에 종속적임
  • 자바 프로그램을 운영체제가 이해하는 기계어로 번역해서 실행해야 하므로, JVM은 운영체제에 맞게 설치되어야 함
  • 바이트 코드는 하나지만, JVM에 의해 번역되는 기계어는 운영체제에 따라 달라짐
  • JVM은 JDK 또는 JRE를 설치하면 자동으로 설치됨
  • 스택 기반의 가상 머신

2. 컴파일 하는 방법

운영체제와 JVM 그리고 자바 프로그램의 실행 단계

  • 자바 프로그램의 JVM을 통한 컴파일, 실행 단계는 아래와 같다.

java_compile

.java (java source code) ⇒ .class (byte code) ⇒ .exe

  1. 개발자는 .java 파일을 작성 (소스파일)
  2. 소스파일을 컴파일러로 (javac.exe) 컴파일하면 확장자가 .class 인 바이트 코드 파일이 생성 (1차 컴파일)
  3. 바이트 코드 파일은 JVM 구동 명령어 (java.exe)에 의해 JVM에서 해석되고 해당 운영 체제에 맞게 기계어로 번역됨 (2차 컴파일)

컴파일 방법

  • Hello.java 라는 자바 소스 파일을 컴파일러(javac.exe) 로 컴파일

hello_java_code

  • terminal에서 아래와 같이 Hello.java 컴파일

    $ javac Hello.java

java_compile_ex

  • 컴파일 성공 시 확장명이 .class 인 바이트 코드 파일이 생성됨

    compile_result

3. 실행하는 방법

바이트코드 파일을 java.exe로 실행

  • 컴파일 결과 생성된 .class 확장자의 바이트 코드 파일은 완전한 기계어가 아니므로 단독으로 실행할 수 없고, JVM이 실행되어야 한다.

    • JVM을 구동시키는 명령어 : java.exe

    • terminal에서 아래와 같이 Hello.class 파일 실행

      $ java Hello

exe_result

  • java.exe 명령어 실행시 JVM은 바이트 코드 파일을 메모리로 로드하고, 최적의 기계어로 번역함

    • 이후, main() 메소드를 찾아 실행시킴

4. 바이트코드란 무엇인가

Java Bytecode

  • JVM이 이해할 수 있는 언어로 변환된 자바 소스 코드
  • 기계가 바로 실행할 수 있는 언어보다는 비교적 인간이 보기 편한 형태로 기술된 형태
  • 실행 엔진이 한 번 더 JVM 내부에서 인식할 수 있는 형태로 변환함

5. JIT 컴파일러란 무엇이며 어떻게 동작하는가

JIT (Just In Time) Compiler

  • 프로그램을 실제 실행하는 시점에 (실시간에) 기계어로 번역하는 컴파일 기법
  • 인터프리터 방식의 단점을 보완하기 위해 도입
  • 인터프리터 방식으로 실행하다가, 적절한 시점에 바이트 코드 전체를 컴파일하여 네이티브코드로 변경하고 그 이후에는 네이티브 코드를 직접 실행함
  • 네이티브 코드를 캐시에 보관하게되어, 인터프리터 방식보다 빠르게 실행됨
  • JIT 컴파일러는 JVM 내부적으로 해당 메소드가 얼마나 자주 수행되는지 체크하고, 일정 정도가 넘을 때에만 컴파일을 수행함

6. JVM 구성 요소

JVM 구성 요소는 아래 그림과 같다.

image-20201114170040356

Class Loader (클래스 로더)

  • JVM 내로 클래스 (.class) 파일을 로드하고, 링크를 통해 배치하는 작업 수행
  • Runtime 시에 동적으로 Runtime Data Area 에 로드

Runtime Data Area

jvm_runtime_area

Method Area (메소드 영역)

JVM이 시작할 때 생성되고 모든 스레드가 공유하는 영역
  • 코드에서 사용 되는 클래스 (.class) 를 클래스 로더로 읽어서, 클래스별로
    • 런타임 상수풀 (runtime constant pool)
    • 필드(field) 데이터
    • 메소드 (method) 데이터
    • 메소드 코드
    • 생성자 (constructor) 코드

등을 분류해서 저장한다.

Heap Area (힙 영역)

객체와 배열이 생성되는 영역
  • 힙 영역에 생성된 객체와 배열은 JVM 스택 영역의 변수나 다른 객체의 필드에서 참조
  • 만약, 참조하는 변수나 필드가 없으면, 의미 없는 객체가 되어 쓰레기로 취급 —> JVM은 Garbage Collector를 실행시켜, 쓰레기 객체를 Heap area 내에서 자동으로 제거
  • GC 덕분에, 개발자는 별도 객체 제거 위한 별도 코드 작성 필요 X —> (자바는 코드로 객체를 직접 제거시키는 방법을 제공하지 않음)

JVM Stack Area (JVM 스택 영역)

각 스레드마다 하나씩 존재하며, 스레드가 시작될 때 할당됨
  • 자바 프로그램 내에서 추가적으로 스레드 생성하지 않았으면
    • main 스레드만 존재 → JVM Stack도 한 개
  • JVM 스택은 메소드 호출할 때 마다,
    • 프레임 (Frame)을 추가 (push)
    • 메소드 종료 시, 해당 프레임 제거 (pop)
  • 예외 발생 시, printStackTrace() 메소드로 보여주는 Stack Trace의 각 라인 → 하나의 프레임을 표현함
  • 프레임 내부
    • 로컬 변수 스택
      • 기본 타입 변수나 참조 타입 변수가 추가 되거나 제거됨
      • 언제 추가 및 제거?
        • 변수 초기화 시에 추가 (최초로 변수에 값이 저장될 때)
        • 선언된 블록을 벗어나면 스택에서 제거
      • 기본 타입 변수
        • 스택 영역에 직접 값을 가짐
      • 참조 타입 변수
        • 힙 영역이나 메소드 영역의 객체 주소를 가짐

Execution Engine (실행 엔진)

  • 클래스를 실행시키는 역할을 함
  • 클래스 로더가 JVM 내의 런타임 데이터 영역에 바이트 코드를 배치
  • 자바 바이트 코드를 실행함

Interpreter

  • 자바 바이트코드를 명령어 단위로 읽어서 실행함
  • 한 줄 한 줄 실행됨

JIT Compiler

  • 인터프리터 방식의 단점을 보완하기 위해 도입된 방식
  • 인터프리터 방식으로 실행하다가, 적절한 시점에 바이트 코드 전체를 컴파일하여 네이티브코드로 변경하고 그 이후에는 네이티브 코드를 직접 실행함
  • 네이티브 코드를 캐시에 보관하게되어, 인터프리터 방식보다 빠르게 실행됨
    • 한 번만 실행되는 코드라면 인터프리터 방식으로 실행하는 것이 더 유리함
  • JIT 컴파일러는 JVM 내부적으로 해당 메소드가 얼마나 자주 수행되는지 체크하고, 일정 정도가 넘을 때에만 컴파일을 수행함

Garbage Collector

  • GC를 수행하는 모듈 (스레드)

7. JDK와 JRE의 차이

자바 프로그램을 개발하기 위해서는 먼저 Java SE(Standard Edition)의 구현체인 JDK를 설치해야 한다. Java SE의 구현체는 자바 개발 키트 (JDK : Java Development Kit) 와 자바 실행 환경 (JRE : Java Runtime Environment) 라는 두 버전이 있다.

jdk_jre

JDK (Java Development Kit)

JRE + 개발에 필요한 도구
  • 자바 개발 도구(Java Development Kit)의 약자로 프로그램 개발에 필요한 JVM, 라이브러리 API, 컴파일러 등의 개발도구가 포함되어 있음
  • 자바 프로그램 개발 시 필요

JRE (Java Runtime Environment)

JVM + 표준 클래스 라이브러리
  • 프로그램 실행에 필요한 JVM, 라이브러리 API만 포함되어 있음
  • 자바 프로그램을 개발하고자 하는 게 아니라, 이미 개발된 프로그램만 실행한다면 JRE만 설치하면 됨

[Reference]

http://javalearningonline.weebly.com/java-program-compile-and-execution-flow.html

https://www.javatpoint.com/java-bytecode#:~:text=Java%20bytecode%20is%20the%20instruction,class%20file

https://medium.com/@ahn428/java-jit-%EC%BB%B4%ED%8C%8C%EC%9D%BC%EB%9F%AC-c7d068e29f45

https://bloofer.tistory.com/21

https://blogitwithsatyam.com/2018/06/19/jvm-architecture-in-depth/

https://www.quora.com/What-is-difference-between-JDK-JRE-and-JVM

https://www.notion.so/yegenieee/8-83329a0b00d94bb79c76206037cca731