[JAVA] JVM은 무엇이며 자바 코드는 어떻게 실행하는 것인가

👩‍🚀 목표

자바 소스 파일(.java)을 JVM으로 실행하는 과정 이해하기

👩‍💻 학습할 것

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

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🤔 JVM이란?

Java virtual machine

자바를 실행하기 위한 가상 기계(컴퓨터)

🤠 외국에서는 컴퓨터를 머신이라고도 부른다고 한다~

자바로 작성된 애플리케이션은 모두 JVM에서만 실행된다.

자바 응용 프로그램은 JVM하고만 통신하고

JVM이 자바 응용 프로그램으로부터 전달받은 명령을 운영체제가 이해할 수 있게 변환해서 전달한다.

최근에는 Scala, Kotlin, Groovy 등 여러 언어들이 JVM을 이용하고 있다.

 

오른쪽그림처럼 일반 애플리케이션은 코드가 OS만 거치고 하드웨어로 전달된다.

따라서 OS에 종속적이다.

→ 애플리케이션을 OS에 맞게 변경해야 함!!

 

Java 애플리케이션은 JVM을 한번 더 거쳐서 OS에 따라 해석해준다.

덕분에  Java 애플리케이션은 OS가 바뀌어도 실행할 수 있다.

 

그러나 JVM은 OS에 종속적이다.

운영체제에 맞는 JVM을 설치해야 한다.

 

 

📌 가상 기계 virtual machine

소프트웨어로 구현된 하드웨어

컴퓨터의 성능 향상으로 인해 더 많은 하드웨어들이 소프트웨어화되고 있다.

ex) 윈도우 미디어 플레이어(TV와 비디오), 윈앰프(오디오)

 

 

🧐 JVM 구성 요소

JVM의 구성요소는 크게 3가지로 나눌수 있다.

1. Class Loader
2. Runtime Data Area
3. Execution Engine

JVM이 실행되면 OS가 JVM에게 필요한 메모리를 할당해 준다.

 

 

📌 Class Loader

실행시점(Runtime)에 Class 파일(컴파일한 바이트코드)을 로드하고, 메모리(Runtime Data Area)에 링크를 배치하는 작업을 수행하는 모듈이다.

1. 로딩
   1) 클래스 로더가 .class 파일을 읽고
   2) 내용에 따라 적절한 바이너리 데이터를 만듬 → Method 영역에 저장
         * Method 영역에 저장되는 데이터
            : Type정보(class, interface, enum), 메소드, 변수,
              FQCN (Fully Qualified Class Name : 클래스가 속한 패키지명을 모두 포함한 이름))
   3) 로딩 후 Class 타입의 Class 객체 생성 → Heap 영역에 저장
   
   
2. 링크 : Verify, Prepare, Resolve 세단계로 나눠짐
   1) Verify : .class 파일 형식 유효한지 체크 → 유효하지 않을시 JVM 에러
   2) Prepare : 클래스변수(static 변수)와 기본값에 필요한 메모리 준비
   3) Resolve : 심볼릭 메모리 레퍼런스를 메소드 영역에 있는 실제 레퍼런스로 교체(Optional)
   

   public class Application{
   	Person nyximos = new Person(); 
       ...
   }

   new Person()에서 실제 레퍼런스를 가리키지 않는다.
   Resolve 단계에서 실제 힙에 들어있는 인스턴스로 가리키도록 교체한다.
   
3. 초기화 : 준비된 메모리에 static 변수의 값 할당, static 블럭이 있다면 실행

 

📌 Runtime Data Area

Runtime Data Area는 5개의 영역으로 관리한다.

Method Area와 Heap Area는 모든 Thread가 공유하고,

Stack Area, PC Register, Native Method Stack은  Thread 별로 하나씩 존재한다. 

1. Method Area (Class Area)
2. Stack Area
3. Heap Area
4. Program Counter Registers
5. Native Internal Threads

1. Method Area (Class Area)

프로그램 실행중 클래스 사용 → 클래스 파일을 읽고 분석하여 클래스 코드에 대한 정보들을 Method Area에 저장

 

저장되는 정보

• Type Information (Type : 클래스와 인터페이스 모두 통칭) 
• Runtime Constant Pool (Type의 모든 상수 정보)
• Field information (Field는 인스턴스 변수를 가르킴)
• Method Information (Constructor를 포함한 모든 메소드)
• Class Variable (static 키워드로 선언된 변수)
  1) 모든 인스턴스에 공유 되며 인스턴스가 없어도 직접 접근이 가능하다.
  2) 이 변수는 인스턴스의 것이 아니라 클래스에 속하게 된다.
  3) 클래스를 사용 하기 이전에 이 변수들은 미리 메모리를 할당 받아 있는 상태가 된다.
  4) final class 변수는 상수로 치환 되어 Runtime Constant Pool에 값을 복사한다.

static 변수는 Method Area의 Class Variable에 저장
기본형이 아닌 static 클래스형 변수는 레퍼런스 변수만 저장되고 실제 인스턴스는 Heap에 저장되어 있다.
그 후 이 인스턴스의 변수를 저장하기 위해 Heap에 메모리가 확보가 되고
Heap의 인스턴스가 Method Area의 어느 클래스 정보와 연결되는지 설정 하게 된다.
- Minhyeok Jung님 블로그

 

클래스 로딩을 위한 JVM의 로딩 절차

1. 어떤 메소드를 호출하는 문장을 만났는데 그 메소드를 가진 클래스 바이트가 아직 로딩된 적이 없다면?
     → JRE 라이브러리 폴더에서 클래스 찾음
2. 없으면 CLASSPATH 환경변수에 지정된 폴더에서 클래스 찾음
3. 찾으면 그 클래스 파일이 올바른지 바이트코드 검증
4. 올바른 바이트코드면 메소드 영역으로 파일을 로딩
5. 클래스 변수를 만들라는 명령어가 있으면 Method Area에 변수 준비
6. 클래스 블록이 있으면 순서대로 블록 준비
이렇게 클래스의 바이트코드가 로딩되면 JVM이 종료될 때까지 유지된다.
- WANZA님 블로그

 

2. Stack Area (JVM Stack)

Thread 제어를 위해 사용되는 메모리 공간

Thread가 생성될 때마다 하나씩 생성된다.

기본 자료형에 해당되는 지역변수의 데이터 값이 저장되는 공간

메소드가 호출될 때 메모리에 할당되고 종료되면 해제됨

변수에 새로운 데이터가 할당되면 이전 데이터가 지워진다.

• Method가 호출
  → Method와 Method 정보는 Stack에 쌓임
  → Method 호출 종료될때 Stack point에서 제거
• Method 정보
  매개변수, 지역변수, 임시변수, address(메소드가 호출한 주소) 등

멀티 Thread 프로그램의 경우 각 Thread가 자신의 Stack을 가지고는 있지만 Heap 영역은 공유하기 때문에,
프로그래밍시에 Thread-safe 하지 않는 이슈에 주의하며 프로그래밍을 해야 한다.
결론적으로 Heap 영역 자체가 Thread-safe 하지 않는 상태이다.
Thread-safe 하게 객체를 생성하기 위해서는 Immutable한 객체를 설계하는 것이 좋다.
- Minhyeok Jung님의 블로그

 

3. Heap Area

사용자가 관리하는 인스턴스가 생성되는 공간

객체를 동적으로 생성하면 인스턴스가 Heap 영역의 메모리에 할당되어 사용됨

프로그램은 시작할 때 미리 Heap 영역을 많이 할당하고 인스턴스와 인스턴스 변수가 저장된다.

Stack Area과 달리 Heap Area에서 보관되는 메모리는

메소드 호출이 끝나도 GC에 의해 제거되거나 JVM이 종료되기 전까지 사라지지 않는다.

 

🐣 A a = new A(); 하면 인스턴스가 힙에 저장됨

Heap Area에 실제 값, 데이터가 들어있고 new 연산자를 통해 저장된 데이터의 참조 값, 주소가 리턴되어  Stack에 저장 !!!!

 참조형(Reference Type)의 데이터 타입을 갖는 객체(인스턴스), 배열 등은 Heap 영역에 데이터가 저장된다.
이때 변수(객체, 객체변수, 참조변수)는 Stack 영역의 공간에서 실제 데이터가 저장된 Heap 영역의 참조값(reference value, 해시코드 / 메모리에 저장된 주소를 연결해주는 값)을 new 연산자를 통해 리턴 받는다.
다시 말하면 실제 데이터를 갖고 있는 Heap 영역의 참조 값을 Stack 영역의 객체가 갖고 있다.
이렇게 리턴 받은 참조 값을 갖고 있는 객체를 통해서만 해당 인스턴스를 핸들 할 수 있다.
-JOKER님 블로그

 

4. Program Counter Registers

Thread가 생성될 때마다 생기는 공간

Thread가 어떤 명령을 실행할지 기록한다.

CPU내의 기억장치인 레지스터와는 다르게 작동한다. → Register-base 🙅‍♀️  Stack-base 🙆‍♀️

 

5. Native Method Stacks

자바 이외의 언어에서 제공되는 Method의 정보가 저장되는 공간

(C, C++, 어셈블리로 작성된 Native 키워드를 사용한 함수를 사용하는 방법 제공)

JNI(Java Native Interface)를 통해 표준에 가까운 방식으로 구현 가능

 

📌 Excution Engine

Runtime Data Area에 할당된 ByteCode를 실행

 

CPU는 Java Bytecode를 바로 실행 시킬 수 없다.

그래서 Execution Engine가 기계어로 변환하여 실행한다.

Excution Engine은 Interpreter와 JIT Compiler로 구성된다.

 

1. Interpreter

Java class 파일의 바이트코드를 한줄씩 읽어서 native code(기계어)로 변환하여 실행한다.

반복 호출되는 메소드를 매번 인터프리팅하여 비효율적이다.

 

2. JIT Compiler

Interpreter의 속도 문제를 해결하기위해 자주 실행되는 바이트코드를 캐싱하여 매번 호출하지 않고 한번에 컴파일한다.

반복 호출되는 메소드는 JIT Compiler에 의해 기계어로 변환되어 Native Stack에 저장된다.

 

3.  Garbage Collector

Runtime Data Area의 Heap Area에 생성된 객체들 중 참조되지 않은 객체들을 탐색후 제거해준다.

C나 C++의 경우에는 메모리 할당/사용 후 반환하지 않으면 메모리공간을 차지하여 낭비하게 되지만,

JAVA의 경우 Garbage Collector가 메모리 공간을 관리, 최적화 해준다.

 

Garbage Collector 동작 시 JVM 실행이 멈추게 되고 이를 Stop The World라고 표현한다.

JAVA 개발자는 이 시간을 줄이기 위해 Heap 메모리 영역이나 가비지 컬렉터 동작에 관한 알고리즘을 공부해야한다.

 

Stop The World를 통해 모든 스레드 작업을 중단시키면 GC는 동적 객체에 대한 탐색을 수행한다.

객체가 점유하는 메모리를 식별하는 과정을 Mark 과정이라고 하는데,

Mark과정이 되지 않았다는 건 객체가 점유하고 있는 메모리가 존재하지 않는다는 말이므로 해당 메모리를 제거한다.

 

 

👀 컴파일하는 방법

1. 대충 JDK를 설치하자

2. 소스 프로그램을 작성하자
    저장할 때 꼭 소스파일의 확장자를 .java 로 해줘야된다.

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

3. CMD를 켜서 Hello.java를 컴파일하자
   컴파일러의 명령어 버전이름은 javac이다.
   컴파일러가 클래스파일을 생성해준다.

4. 클래스 파일이 생성됐는지 확인해보자

    Hello.java 생김 ! (바이트코드로 JVM이 해석할 수 있는 언어이다.)

5. 실행해보자
   가상 기계인 java를 이용하여 클래스 파일 실행

 

 

🤔 바이트코드란?

바이트 코드 ㄴㄴ 바이트코드 ㅇㅇ

붙여서 써야된다고 한다. 근데 자꾸 띄워쓰기 뭔가 하게 되는 것..

 

각각의 명령어가 한 바이트로 이루어지고 256개의 명령어를 만들 수 있다.

자바 컴파일러에 의해 변환되는 코드의 명령어의 크기가 1byte라서 자바 바이트코드라고 불린다고 한다.

자바는 OS에 종속적이지 않기 위해서 JVM이 이해할 수 있는 언어인 바이트코드 형태로 제공되고

바이트코드와 JVM이 있으면 어느 운영체제에 종속적이지 않고 실행된다고 이해하면 된다.

기계어는 아니다.

 

javap -c Hello.class로 해석된 바이트코드를 볼 수 있다고 하는데

😐..  나도 보여도.

설치는 되어있었다.

 

환경변수 설정을 다시 해주었더니 됐다 😏

 

환경변수 설정 제대로 했는데도 계속 안돼서 쉬익쉬익하고 있었는데

cmd 다시 안켜서 경로 설정이 안 된거였다..ㅎ🤦‍♀️

 

 

🐆 JIT 컴파일러란 무엇이며 어떻게 동작하는지

Just In Time

컴파일러로 바이트코드를 기계어로 번역해서 실행하는 것

javac랑 다르다.

java 실행하는 시점에 기계어로 번역하는 컴파일 기법

자주 사용하는 코드, JIT 컴파일러가 저장해놓고 해석하지않고 바로 실행함

런타임 시 클래스파일(바이트코드)를 네이티브 기계어로 한방에 컴파일 후 사용하는 개념

 

 

🤨 JDK와 JRE의 차이

JDK Java Development Kit 자바 개발 도구

JRE에 추가로 컴파일러 디버거 등 명령어행 개발 도구를 추가한 것

JDK 안에 JRE가 포함되어 있다.

 

JRE Java Runtime Environment 자바 실행 환경

자바 프로그램을 실행하기 위한 라이브러리, 자바 가상 기계, 기타 컴포넌트들을 제공

단순히 실행만 🙆‍♀️ !!! 개발은 안하는 일반인들을 위한 환경

 

 

 

참조

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

남궁성, 자바의 정석 기초편, 도우출판, 2019

Class Loader - https://medium.com/lucky-sonnie/java-classloader-%EC%97%90-%EB%8C%80%ED%95%B4-f9972c8c4b09

Class Loader - https://goodgid.github.io/Java-Class-Loader/

Runtime Data Area - https://www.holaxprogramming.com/2013/07/16/java-jvm-runtime-data-area/ (Minhyeok Jung님)

Runtime Data Area - https://jithub.tistory.com/40

Method Area - https://blog.wanzargen.me/16 (WANZA님)

Excution Engine - https://wonit.tistory.com/591

JIT Comiler - https://93jpark.tistory.com/58

스택 & 힙 - https://m.blog.naver.com/heartflow89/220954420688 (JOKER님)

스택 & 힙 - https://hanna97.tistory.com/entry/Method-Area%EC%99%80-JVM-Stack-Heap-%EB%A9%94%EB%AA%A8%EB%A6%AC%EC%9D%98-%EA%B5%AC%EC%A1%B0%EC%99%80-%EC%9A%A9%EB%8F%84

Garbage Collector - https://junhyunny.github.io/information/java/what-is-jvm/

 

javac 옵션 - https://docs.oracle.com/javase/7/docs/technotes/tools/windows/javac.html#options

javac - Java programming language compiler