1주차 과제: JVM은 무엇이며 자바 코드는 어떻게 실행하는 것인가.

목표

자바 소스 파일(.java)을 JVM으로 실행하는 과정 이해하기.

학습할 것

• JVM이란 무엇인가
• 컴파일 하는 방법
• 실행하는 방법
• 바이트코드란 무엇인가
• JIT 컴파일러란 무엇이며 어떻게 동작하는지
• JVM 구성 요소
• JDK와 JRE의 차이

JVM 이란

JVM은 Java Virtual Machine 로 말 그대로 자바 가상 머신 입니다.

자바 바이트코드는 JRE 위에서 동작합니다.

JRE는 자바 API 와 JVM으로 구성되며, JVM의 역할은 자바 애플리케이션을 클래스 로더(Class Loader)를 통해 읽어 들여서 자바 API와 함께 실행하는 것입니다.

자바 소스 파일은 자바 컴파일러에 의해 바이트코드로 변환되고 바이트코드는 JVM에 클래스 로더에 의해 로드되고 실행엔진이 바이트코드를 기계어로 해석하여 메모리를 할당받아 실행한다.

 

 

출처 : d2.naver.com/helloworld/1230

 

JVM 구성 요소

클래스 로더

자바는 동적 로드, 즉 컴파일타임이 아니라 런타임에 클래스를 처음으로 참조할 때 해당 클래스를 로드하고 링크하는 특징이 있다. 이 동적 로드를 담당하는 부분이 JVM의 클래스 로더이다. 자바 클래스 로더의 특징은 다음과 같다.

• 계층 구조: 클래스 로더끼리 부모-자식 관계를 이루어 계층 구조로 생성된다. 최상위 클래스 로더는 부트스트랩 클래스 로더(Bootstrap Class Loader)이다.
• 위임 모델: 계층 구조를 바탕으로 클래스 로더끼리 로드를 위임하는 구조로 동작한다. 클래스를 로드할 때 먼저 상위 클래스 로더를 확인하여 상위 클래스 로더에 있다면 해당 클래스를 사용하고, 없다면 로드를 요청받은 클래스 로더가 클래스를 로드한다.
• 가시성(visibility) 제한: 하위 클래스 로더는 상위 클래스 로더의 클래스를 찾을 수 있지만, 상위 클래스 로더는 하위 클래스 로더의 클래스를 찾을 수 없다.
• 언로드 불가: 클래스 로더는 클래스를 로드할 수는 있지만 언로드할 수는 없다. 언로드 대신, 현재 클래스 로더를 삭제하고 아예 새로운 클래스 로더를 생성하는 방법을 사용할 수 있다.

런타임 데이터 영역

출처 : d2.naver.com/helloworld/1230

런타임 데이터 영역은 JVM이라는 프로그램이 운영체제 위에서 실행되면서 할당받는 메모리 영역이다.

 

• PC 레지스터: PC(Program Counter) 레지스터는 각 스레드마다 하나씩 존재하며 스레드가 시작될 때 생성된다. PC 레지스터는 현재 수행 중인 JVM 명령의 주소를 갖는다.
• JVM 스택: JVM 스택은 각 스레드마다 하나씩 존재하며 스레드가 시작될 때 생성된다. 스택 프레임(Stack Frame)이라는 구조체를 저장하는 스택으로, JVM은 오직 JVM 스택에 스택 프레임을 추가하고(push) 제거하는(pop) 동작만 수행한다. 예외 발생 시 printStackTrace() 등의 메서드로 보여주는 Stack Trace의 각 라인은 하나의 스택 프레임을 표현한다.

• 네이티브 메서드 스택: 자바 외의 언어로 작성된 네이티브 코드를 위한 스택이다. 즉, JNI(Java Native Interface)를 통해 호출하는 C/C++ 등의 코드를 수행하기 위한 스택으로, 언어에 맞게 C 스택이나 C++ 스택이 생성된다.

• 메서드 영역: 메서드 영역은 모든 스레드가 공유하는 영역으로 JVM이 시작될 때 생성된다. JVM이 읽어 들인 각각의 클래스와 인터페이스에 대한 런타임 상수 풀, 필드와 메서드 정보, Static 변수, 메서드의 바이트코드 등을 보관한다. 메서드 영역은 JVM 벤더마다 다양한 형태로 구현할 수 있으며, 오라클 핫스팟 JVM(HotSpot JVM)에서는 흔히 Permanent Area, 혹은 Permanent Generation(PermGen)이라고 불린다. 메서드 영역에 대한 가비지 컬렉션은 JVM 벤더의 선택 사항이다.
• 런타임 상수 풀: 클래스 파일 포맷에서 constant_pool 테이블에 해당하는 영역이다. 메서드 영역에 포함되는 영역이긴 하지만, JVM 동작에서 가장 핵심적인 역할을 수행하는 곳이기 때문에 JVM 명세에서도 따로 중요하게 기술한다. 각 클래스와 인터페이스의 상수뿐만 아니라, 메서드와 필드에 대한 모든 레퍼런스까지 담고 있는 테이블이다. 즉, 어떤 메서드나 필드를 참조할 때 JVM은 런타임 상수 풀을 통해 해당 메서드나 필드의 실제 메모리상 주소를 찾아서 참조한다.
• 힙: 인스턴스 또는 객체를 저장하는 공간으로 가비지 컬렉션 대상이다. JVM 성능 등의 이슈에서 가장 많이 언급되는 공간이다. 힙 구성 방식이나 가비지 컬렉션 방법 등은 JVM 벤더의 재량이다.

실행 엔진 (JIT 컴파일러란 무엇이며 어떻게 동작하는지)

 

클래스 로더를 통해 JVM 내의 런타임 데이터 영역에 배치된 바이트코드는 실행 엔진에 의해 실행된다.

 

자바 바이트코드는 기계가 바로 수행할 수 있는 언어보다는 비교적 인간이 보기 편한 형태로 기술된 것이다. 그래서 실행 엔진은 이와 같은 바이트코드를 실제로 JVM 내부에서 기계가 실행할 수 있는 형태로 변경하며, 그 방식은 다음 두 가지가 있다.

 

• 인터프리터: 바이트코드 명령어를 하나씩 읽어서 해석하고 실행한다. 하나씩 해석하고 실행하기 때문에 바이트코드 하나하나의 해석은 빠른 대신 인터프리팅 결과의 실행은 느리다는 단점을 가지고 있다. 흔히 얘기하는 인터프리터 언어의 단점을 그대로 가지는 것이다. 즉, 바이트코드라는 '언어'는 기본적으로 인터프리터 방식으로 동작한다.
• JIT(Just-In-Time) 컴파일러: 인터프리터의 단점을 보완하기 위해 도입된 것이 JIT 컴파일러이다. 인터프리터 방식으로 실행하다가 적절한 시점에 바이트코드 전체를 컴파일하여 네이티브 코드로 변경하고, 이후에는 해당 메서드를 더 이상 인터프리팅하지 않고 네이티브 코드로 직접 실행하는 방식이다. 네이티브 코드를 실행하는 것이 하나씩 인터프리팅하는 것보다 빠르고, 네이티브 코드는 캐시에 보관하기 때문에 한 번 컴파일된 코드는 계속 빠르게 수행되게 된다.

JIT 컴파일러가 컴파일하는 과정은 바이트코드를 하나씩 인터프리팅하는 것보다 훨씬 오래 걸리므로, 만약 한 번만 실행되는 코드라면 컴파일하지 않고 인터프리팅하는 것이 훨씬 유리하다. 따라서, JIT 컴파일러를 사용하는 JVM들은 내부적으로 해당 메서드가 얼마나 자주 수행되는지 체크하고, 일정 정도를 넘을 때에만 컴파일을 수행한다.

 

출처 : d2.naver.com/helloworld/1230

 

컴파일과 실행 하는 방법

 

 

1. 자바 컴파일러로 경로에 있는 Test 라는 java 파일을 컴파일한다.

2. 1번에서 class 파일이 생성되는 경로를 따로 지정해주지 않았기 때문에 패키지명(네임스페이스) + 자바파일명 으로 java 명령어를 이용하여 실행한다. 위 사진에서는 package를 따로 지정하지 않았다.

+ java , javac 명령어 옵션 정리 참고 ( starplaying.tistory.com/289 )

 

또 다른방법으로는 IDE를 사용한다.

 

바이트코드란 무엇인가

자바 바이트코드(Java bytecode)란 자바 가상 머신이 이해할 수 있는 언어로 변환된 자바 소스 코드를 의미합니다.

자바 컴파일러에 의해 변환되는 코드의 명령어 크기가 1바이트라서 자바 바이트코드라고 불리고 있습니다.

이러한 자바 바이트코드의 확장자는 .class입니다.

자바 바이트코드는 자바 가상 머신만 설치되어 있으면, 어떤 운영체제에서라도 실행될 수 있습니다.

 

JDK와 JRE의 차이

 

JRE 개념

JRE(Java Runtime Enviroment) : 컴파일된 자바 프로그램을 실행시킬 수 있는 자바 환경

• JRE는 JVM이 자바 프로그램을 동작시킬 때 필요한 라이브러리 파일들과 기타 파일들을 가지고 있다.

• JRE는 JVM의 실행환경을 구현했다고 할 수 있다.

• 자바 프로그램을 실행시키기 위해선 JRE를 반드시 설치해야한다.

• 하지만 자바 프로그래밍 도구는 포함되어있지 않기 때문에 자바 프로그래밍을 하기 위해선 JDK가 필요하다.

출처 : https://goodgid.github.io/Java-JDK-JRE/

JDK 개념

JDK(Java Development kit) : 자바 프로그래밍시 필요한 컴파일러 등 포함

• JDK는 개발을 위해 필요한 도구(javac, java등)들을 포함한다.

• JDK를 설치하면 JRE도 같이 설치가 된다.

• 즉 JDK = JRE + @ 라고 생각하면 된다.

출차 : https://goodgid.github.io/Java-JDK-JRE/

JDK 가 JRE를 포함하고있다

그래서 자바9부터는 JRE를 따로 배포하지 않는다라고 라이브에서 알게 되었다...

 

출처

 

d2.naver.com/helloworld/1230

goodgid.github.io/Java-JDK-JRE/