[스터디 할래] week01. JVM은 무엇이며 자바 코드는 어떻게 실행하는 것인가

Posted Sep 13, 2023

16 min read

백기선님의 스터디 “스터디 할래”를 참고로 한 정리입니다.

JVM이란 무엇이며 자바 코드는 어떻게 실행하는 것인가

학습할 것

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

JVM이란 무엇인가

JVM이란 JAVA Virtual Machine(자바 가상 머신)의 약칭으로 JAVA의 바이트코드를 OS에 맞게 해석 해주는 역할을 한다.

- JVM이 나오게 된 배경

C/C++는 컴파일 플랫폼과 타켓 플랫폼이 다를 경우 프로그램이 동작하지 않는다. (환경, 플랫폼 = 운영체제 + CPU 아키텍처)

즉 동일한 플랫폼에서 컴파일과 실행을 같이 한다면 프로그램은 아무 문제 없이 동작하지만 플랫폼이 달라질 경우 타겟 플랫폼에서 프로그램이 동작하지 않는다.

-> 이로 인해 크로스 컴파일을 통해 각각의 실행하고자 하는 운영체제에 맞는 프로그램을 만들어야 했다. (크로스 컴파일 : 타겟 플랫폼에 맞춰 컴파일 하는 것)

출처 : oracle docs

이러한 불편함을 해소하기 위해 자바 컴파일러를 통해 자바 소스코드(java 파일)를 바이트 코드(class 파일)로 변환하고 바이트코드는 기계어가 아니기 때문에 os에서 실행시키기 위해 바이트 코드를 기계어로 번역해주는 과정을 한 번 더 거치는 JVM이 나오게 되었다.

즉 자바 바이트 코드는 타겟 플랫폼에 상관없이 JVM 위에서 동작하고 JVM은 타겟 플랫폼에 의존한다.

컴파일 하는 방법

cmd에서 자바 컴파일

Java Complier에 의해 .java 파일을 .class 파일 즉 자바 바이트 코드로 만들어보자.

Java Complier는 JDK를 설치하면 bin 디렉터리의 javac.exe로 존재한다. javac 명령어를 통해 .class 파일을 생성할 수 있다.

public class test {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello World");
    }
}

“Hello World”를 출력하는 .java 파일을 생성하고 파일이 있는 디렉터리에서 javac { java 파일 명 } 을 통해 컴파일한다.

C:\Users\user>javac test.java

현재 위치에 .class 파일이 생성되는 것을 확인할 수 있다.

자바 컴파일 과정

보통 IDE나 terminal 환경에서 .java파일을 생성하게 되는데 이 때 build를 통해 .class 파일을 생성하게 된다. 이는 아직 컴퓨터가 읽을 수 없는 자바 바이트코드이다.

실행하는 방법

위에서 만든 class 파일을 이용하여 java 명령어를 통해 실행시킬 수 있다.

java 명령어로 JDK의 bin 디렉터리에 java.exe를 실행시켜 JVM을 구동할 수 있다.

C:\Users\user>java test
Hello World

“Hello World”가 출력되면서 test.class 파일이 실행된걸 확인할 수 있다.

바이트코드란 무엇인가

바이트코드는 특정 하드웨어가 아닌 가상 컴퓨터(VM)에서 돌아가는 실행 프로그램을 위한 이진 표현법이다.

JVM이 이해할 수 있는 언어로 변환된 자바 소스코드를 의미한다. 자바 컴파일러에 의해 변환되는 코드의 명령어 크기가 1byte라서 자바 바이트코드라고 불린다.

바이트코드는 다시 실시간 번역기 혹은 JIT 컴파일러에 의해 바이너리 코드(컴퓨터가 인식할 수 있는 0과 1로 구성된 이진코드)로 변환된다.

JIT 컴파일러란 무엇이며 어떻게 동작하는지

출처 : https://miro.medium.com/max/1400/1*VFo0CC-chzvqJk6sls6ukQ.png

JIT 컴파일 (Just In Time Compliation) 혹은 동적 번역(Dynamic Translation)이라고한다.

JIT 컴파일러는 프로그램을 실제 실행하는 시점에 바이트코드를 컴퓨터 프로세서(CPU)로 직접 보낼 수 있는 기계어로 번역하는 컴파일러이다.

전통적인 입장에서 컴퓨터 프로그램을 만드는 방법은 두가지로 인터프리터 방식과 정적 컴파일 방식으로 나뉜다.

인터프리터 방식 : 실행 중 프로그램 언어를 읽어가며 해당 기능에 대응하는 기계어 코드 실행. 자바 바이트코드를 한줄씩 실행하여 여러번 실행하는 환경에서는 다소 느리다.
정적 컴파일러 : 실행하기 전 프로그램 코드를 기계어로 번역

JIT 컴파일러는 인터프리터 방식의 단점을 보완하기 위해 도입되었다. 두가지의 방식을 혼합한 방식으로 생각할 수 있는데 인터프리터 방식으로 기계어 코드를 생성하면서 실행하다가 그 코드를 캐싱하여, 같은 함수가 여러번 불릴 때 매번 기계어 코드를 생성하는 것을 방지한다.

즉 같은 코드를 매번 해석하지 않고 실행할 때 컴파일하며 해당 코드를 캐싱한다. 이후에는 바뀐 부분만 컴파일하고 나머지는 캐싱된 코드를 사용하여 인터프리터의 속도를 개선할 수 있다.

JVM 구성 요소

출처 : https://namu.wiki/w/%EC%9E%90%EB%B0%94%20%EA%B0%80%EC%83%81%20%EB%A8%B8%EC%8B%A0

JVM의 구성요소는 크게 3가지로 나눌 수 있다.

구성 요소	설명
Class Loader	클래스를 Runtime Data Area에 적재한다.
Runtime Data Area	런타임에 필요한 메모리 영역
Execution Engine	메서드를 실행하는 실행 엔진

Class Loader

런타임 시점에 클래스를 로딩한다. 인스턴스가 생성이 되면 Class Loader를 통해 메모리에 적재된다.
세부적으로는 크게 Loading (클래스 파일 탑재), Linking (클래스 파일을 사용하기 위해 검증하고, 기본 값으로 초기화), 그리고 Initialization (static field 의 값들을 정의한 값으로 초기화) 과정을 거쳐 클래스 파일을 로딩한다.

Loading (클래스 파일 탑재)

각각의 클래스 파일들이 기본으로 제공받는 클래스 파일인지 혹은 개발자가 정의한 클래스 파일인지와 같은 기준에 의해서 ClassLoader 의 수준도 세 가지로 나뉜다.
bootstrap class loader : 가장 먼저 실행되는 클래스 로더이다. 자바 실행에 기본적으로 필요한 클래스 즉 rt.jar 를 포함하여, JVM 을 구동시키기 위한 가장 필수적인 라이브러리의 클래스들을 로딩한다.
extension class loader : localedata, zipfs 등 다른 표준 핵심 Java Class 의 라이브러리 들을 로딩한다.(클래스들은 폴더 $JAVAHOME/jre/lib/ext_ 위치해 있다.)
application class loader : Classpath 에 있는 클래스를 로딩한다. classpath나 jar파일 내에 환경변수로 지정된 폴더 내 클래스를 로딩한다. (여기에 개발자들이 자바 코드로 짠 클래스 파일이 포함된다.)

위의 각각의 ClassLoader 들을 모두 거쳤는데도, 클래스 파일을 찾지 못하게 되면, ClassNotFoundException 이라는 예외를 던진다.

Linking (클래스 파일을 사용하기 위해 검증하고, 기본 값으로 초기화)

verification, preparation, resolution 단계로 이루어져있다.
verification : 읽어들인 바이트코드가 적절한지 확인한다. 실패시 java.lang.verifyError를 리턴
preparation : static 변수들에 메모리가 할당되고 타입에 따라 기본값을 할당한다.
resolution : 클래스의 constant pool 내의 모든 symbolic reference를 JVM 의 메모리 구성 요소인 Method Area 의 runtime constant pool을 통하여 Direct Reference 라는 메모리 주소 값으로 바꾼다. (해당 단계의 영향을 받는 JVM Instruction 요소는 new 및 instanceof 가 있다.)

Initialization (static field 의 값들을 정의한 값으로 초기화)

Java 코드에서의 class 와 interface 의 static 변수 값들을 지정한 값들로 초기화 및 static block이 실행된다.

Runtime Data Area

JVM이 바이트코드를 실행하기 위해 사용하는 (OS로부터 별도로 할당 받은) 메모리 공간이다.
JVM 의 Runtime Data Areas 에는 크게 Method Area, Heap, Java Stacks, PC registers 그리고 Native Method Stacks로 나뉜다.

모든 스레드가 공유

Method Area

클래스로더가 클래스 파일을 읽어왔을 때 클래스와 관련된 메타데이터를 저장하고 클래스 구조, 필드, 메서드와 같은 데이터를 저장한다.
Runtime Constant Pool 과 static 변수, 그리고 메소드 데이터와 같은 Class 데이터가 관리되는 곳이다.

Heap

런타임시, 동적으로 할당하여 사용하는 영역이다. 프로그램을 실행하면서 생성한 모든 객체 인스턴스를 저장한다.
여기서 문자열에 대한 정보를 가진 String Constant Pool과 실제 데이터를 가진 인스턴스, 배열 등이 저장된다.

각각의 스레드에 존재

Stack

자바 스택은 스레드 별로 존재하고 각 Thread 들은 메서드를 호출할 때마다 Frame 이라는 단위가 생성된다.
메서드 실행이 끝나면 스택 프레임은 pop되어 스택에서 제거된다.
Frame 은 메서드에 대한 정보를 가지고 있는 Local Variable, Operand Stack 그리고 Constant Pool Reference 로 구성이 되어 있다.
- Local Variable : 메서드 안의 지역 변수를 가지고 있다.
- Operand Stack : 메서드 내 연산을 위해서 바이트 코드 명령문을 가지고 있다.
- Constant Pool Reference : Constant Pool 참조를 위한 공간이다.

Program Counter Register

현재 실행 중인 JVM 주소 정보를 저장한다.
수행해야 하는 CPU 명령어 위치 정보를 저장한다.

Native Method Stack

자바의 바이트코드가 아닌 다른 언어로 작성된 메서드를 성능 향상을 목적으로 컴파일해서 사용하는 경우 사용된다.

Execution Engine

로드된 class의 바이트코드를 실행하는 runtime module이다. class loader를 통해 jvm 내의 Runtime Data Area에 배치된 바이트코드는 Excution Engine에 의해 실행된다.

Garbage Collector

Heap 메모리 영역에 생성된 객체들 중 참조되지 않은 객체들을 제거 한다. System.gc()를 호출하여 실행할 수 있다. GC 동작시간은 정해져있지 않으므로 언제 제거하는지는 알 수 없다. GC를 수행하는 동안 GC Thread를 제외한 다른 모든 Thread는 일시 정지한다.
Interpreter
JIT compiler

JDK와 JRE의 차이

JDK(Java Development Kit) 자바 애플리케이션의 개발 환경이다. 자바를 사용하귀 위해 필요한 기능을 갖춘 자바용 SDK이다. JDK를 이용해 프로그램을 생성, 실행, 컴파일 할 수 있다.
JRE(Java Runtime Environment) JVM + 자바 클래스 라이브러리(Java Class Library) 등으로 구성되어 있다.

즉 JDK는 자바 프로그램을 실행, 컴파일, 개발용 도구이며 JRE, JVM를 모두 포함하는 포괄적이 키트이다. JRE는 자바 프로그램을 실행할 수 있게 하는 도구이다. JVM을 포함하고 있다.

자바9부터 JRE가 사라지는 이유는 사실 JDK가 JRE에 다 들어있기 때문이다.

Study, Java

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