JDK 및 Java 실행 원리

김동규·2024년 5월 8일

JVM (Java Virtual Machine)

'자바를 실행하기 위한 가상 기계(컴퓨터)' 라고 볼 수 있다.
Java는 OS 에 종속적이지 않다는 특징이 있으며, OS에 종속받지 않고 실행이 되기 위해선 OS 위에서 Java를 실행시킬 무언가가 필요하며 그게 JVM이다.

정리하면 OS에 종속받지 않고 CPU 가 Java를 인식, 실행할 수 있게 하는 가상 컴퓨터이다.

컴파일 과정

개발자가 자바 소스코드 (.java) 파일을 작성
자바 컴파일러(Java Compiler = javac)가 자바 소스 파일을 컴파일 진행, 이때 나오는 파일은 자바 바이트 코드(.class) 파일로 아직 OS가 읽을 수 없지만, JVM은 이해할 수 있는 코드로 변환한다. 이때 바이트 코드의 각 명령어는 1바이트 크기의 Opcode와 추가 피연산자로 이뤄져 있다.
컴파일된 바이트 코드 (.class)를 JVM의 클래스 로더(Class Loader)에 전달한다.
클래스 로더는 동적로딩(Dynamic Loading)을 통해 필요한 클래스들을 로딩 및 링크하여 런타임 데이터 영역 (Runtime Data Area) 즉 JVM의 메모리에 올린다.

[클래스 로더 세부 동작]

	1. 로드
	- class 파일을 가져와서 JVM의 메모리에 로드한다.

	2. 검증
	- 자바 언어 명세(Java Language Specification) 및 JVM 명세에 명시된 대로 구성되어 있는지 검사한다.

	3. 준비
	- 클래스가 필요로 하는 메모리를 할당(필드, 메서드, 인터페이스 등..)

	4. 분석
	- 클래스의 상수 풀 내 모든 심볼릭 레퍼런스를 다이렉트 레퍼런스로 변경한다.

	5. 초기화
	- 클래스 변수들을 적절한 값으로 초기화한다. (Static 필드)

실행엔진(Executin Engine)은 JVM 메모리에 올라온 바이트 코드들을 명령어 단위로 하나씩 가져와서 실행한다. 이때 실행 엔진은 두가지의 방식으로 변경한다.

a. 인터프리터

바이트 코드 명령어를 하나씩 읽어서 해석하고 실행한다. 하나 하나의 실행은 빠르나, 전체적인 실행 속도가 느린 단점을 가지고 있다.

b. JIT 컴파일러(Just-In-Time Compiler)

인터프리터의 단점을 보완하기 위해 도입된 방식이다.
바이트 코드 전체를 컴파일하여 바이너리 코드로 변경하고, 이후에는 해당 메서드를 더이상 인터프리팅 하지 않고, 바이너리 코드로 직접 실행하는 방식이다. 하나씩 인터프리팅 하여 실행하는 것이 아니라 바이트 코드 전체가 컴파일 된 바이너리 코드를 실행하는 것이기 때문에 전체적인 실행 속도는 인터프리팅에 비해 훨씬 빠르다.

간단 요약

java 소드코드, 즉 원시코드 .java 는 CPU가 인식하지 못하여 컴파일이 필요하다.
OS에 도달하기 전(이때 OS는 .java가 기계어가 아니기 때문에 인식 못함) JDK안에 있는 javac를 통해 JVM이 인식할 수 있는 Java bytecode인 .class 로 변환된다. (java compiler가 .java 파일을 .class 라는 java bytecode로 변환)

※ Java Compiler는 JDK를 설치하면 bin에 존재하는 javac.exe를 말한다. (JDK 안에 java compiler가 포함되어 있음), javac 명령어를 통해 .java 파일을 .class로 컴파일 할 수 있다.

변환된 bytecode (.class)는 기계어가 아니기 때문에 OS에서 실행할 수 없다. 이때, JVM이 OS가 bytecode를 이해할 수 있도록 해석해준다. 이 때문에 ByteCode는 JVM위에서 OS와 상관없이 실행될 수 있는 것이다.

바이트코드

바이트코드란? : 가상 컴퓨터(VM)에서 돌아가는 실행 프로그램을 위한 이진 표현법. (0과1)

자바 바이트 코드(Java bytecode)는 JVM이 이해할 수 있는 언어로 변환된 자바 소스코드를 의미한다.

자바 컴파일러에 의해 변환된 코드의 명령어 크기가 1바이트라서 자바 바이트 코드로 불리고 있다.

바이트코드는 다시 실시간 번역기 또는 JIT 컴파일러에 의해 바이너리 코드로 변환된다.

JIT compiler

JIT 컴파일(just-in-time compiliation) 또는 동적 번역(dynamic translation)이라고 한다.

JIT 컴파일러는 프로그램을 실제 실행하는 시점에 기계어로 번역하는 컴파일러다.

JIT Compiler 도입 배경
인터프리터 방식의 단점을 보완하기 위해 도입 되었다. 인터프리터 방식으로 실행하다가 적절한 시점에 바이트 코드 전체를 컴파일하여 기계어로 변경하고, 이후에는 더이상 인터프리팅 하지 않고 기계어로 직접 실행하는 방식이다.

기계어(컴파일된 코드)는 캐시에 보관하기 때문에 한번 컴파일된 코드는 빠르게 수행하게 된다.

자바에서는 자바 컴파일러가 자바 프로그램 코드를 바이트 코드로 변환한 다음, 실제 바이트 코드를 실행하는 시점에서 JVM 정확히는 JRE이 바이트코드를 JIT 컴파일을 통해 기계어로 변환한다.

JVM 구성 요소

JVM은 다음과 같이 구성되어 있다.

클래스 로더 (Class loader)
실행 엔진 (Execution Engine)
- 인터프리터(Interpreter
- JIT 컴파일러(Just-in-Time)
- 가비지 컬렉터(Garbage Collector)
런타임 데이터 영역(Runtime Data Area)

클래스 로더

JVM 내로 클래스 파일 .class 을 로드하고, 링크를 통해 배치하는 작업을 수행하는 모듈이다.

런타임시 동적으로 클래스를 로드하고 jar 파일 내 저장된 클래스들을 JVM위에 탑재한다.

클래스를 처음으로 참조할 때, 해당 클래스를 로드하고 링크하는 역할을 한다.

실행 엔진

클래스를 실행시키는 역할이다.
클래스로더가 JVM 내의 런타임 데이터 영역에 바이트 코드를 배치시키고, 이것은 실행엔진에 의해 실행된다.

자바 바이트 코드 (.class)는 기계가 바로 수행할 수 있는 언어보다는 인간이 보기 편한 형태로 기술된 것이다. 따라서 실행 엔진은 이와 같은 바이트 코드를 실제로 JVM 내부에서 기계가 실행할 수 있는 형태로 변경한다.

인터프리터

자바 바이트 코드를 명령어 단위로 읽어서 실행한다. 하지만 한줄씩 수행하기 때문에 느리다는 단점이 있다.

JIT compiler (Just-In-Time compiler)

인터프리터 방식으로 실행하다가 적절한 시점에 바이트 코드 전체를 컼파일하여 기계어로 변경 후, 이후에는 더이상 인터프리팅 하지않고 기계어로 직접 실행하는 방식

가비지 컬렉터 (Garbage Collector)

더 이상 사용되지 않는 인스턴스를 찾아서 메모리에서 삭제함

Runtime Data Area

프로그램을 수행하기 위해서 OS에서 할당받은 메모리 공간

PC Register

Thread가 시작될 때 생성되며, 생성될 때 마다 생성되는 공간으로, 스레드마다 하나씩 존재한다.

Thread가 어떤 부분을 어떤 명령으로 실행해야 하는지에 대한 기록을 하는 부분으로 현재 수행중인 JVM 명령의 주소를 갖는다.

※ 프로세스란?
단순히 실행중인 프로그램(Program)을 말하며, 사용자가 작성한 프로그램이 운영체제에 의해 메모리 공간을 할당받아 실행중인 것을 말한다.

프로세스는 프로그램에 사용되는 데이터와 메모리 등의 자원 그리고 스레드로 구성된다.

※ 스레드란?
프로세스 내에서 실제로 작업을 수행하는 주체를 의미
모든 프로세스에는 한개 이상의 스레드가 존재하여 작업을 수행한다.

또한, 두개 이상의 스레드를 가지는 프로세스를 멀티스레드 프로세스(multi-threaded process)라고 한다.

JVM Stack

프로그램 실행과정에서 임시로 할당되었다가 메소드를 빠져나가면 바로 소멸되는 특성의 데이터를 저장하기 위한 영역이다.

각종 형태의 변수나 임시 데이터, 스레드나 메소드의 정보를 저장한다.

메소드 호출 시마다 각각의 스택 프레임(해당 메서드만을 위한 공간)이 생성된다, 메서드 수행이 끝나면 프레임 별로 삭제를 한다.

메소드 안에서 사용되는 값들을 저장한다. 또 호출된 메소드의 매개변수, 지역변수, 리턴 값 및 연산시 일어나는 값들을 임시로 저장한다.

Native method stack

자바 프로그램이 컴파일되어 생성되는 바이트 코드가 아닌 실제 실행할 수 있는 기계어로 작성된 프로그램을 실행시키는 영역.

Java가 아닌 다른 언어로 작성된 코드를 위한 공간
Java Native Interface를 통해 바이트 코드로 전환하여 저장하게 된다.

일반 프로그램처럼 커널이 스택을 잡아 독자적으로 프로그램을 실행시키는 영역

Method Area (= 텍스트Class Area = Static Area)

클래스 정보를 처음 메모리 공간에 올릴 때 초기화되는 대상을 저장하기 위한 메모리 공간

Runtime Constant Pool

스태틱 영역에 존재하는 별도 관리 영역
상수 자료형(final)을 저장하여 참조하고 중복을 막는 역할을 수행한다.

Heap 영역

객체를 저장하는 가상 메모리 공간. new 연산자로 생성되는 객체와 배열들을 저장한다.

Class Area(Static Area)에 올라온 클래스들만 객체로 생성할 수 있다.

Prermanent Generation
영구적인 세대이다. 생성된 객체들의 정보의 주소값이 저장된 공간이다. 클래스 로더에 의해서 load되는 Class, Method등에 대한 Meta 정보가 저장되는 영역이고 JVM에 의해 사용된다.
Reflection을 사용하여 동적으로 클래스가 로딩되는 경우에 사용된다.

※ Reflection이란?
객체를 통해 클래스의 정보를 분석해 내는 프로그래밍 기법
구체적인 클래스 타입을 알지 못해도, 컴파일된 바이트 코드를 통해 역으로 클래스의 저보를 알아내어 사용할 수 있다.

JDK와 JRE의 차이

JDK (Java Development Kit)

Java를 사용하기 위해 모든 필요한 기능을 갖춘 Java용 SDK(Software Development Kit)이다.

※ SDK(Software Develop Kit) 란?
하드웨어 플랫폼, 운영체제 또는 프로그래밍 언어 제작사가 제공하는 툴이며 키트의 요소는 제작사마다 다르다.
SDK의 대표적인 예로 JDK 등이 있으며, SDK를 활용하여 애플리케이션을 개발할 수 있다.

JDK는 JRE를 포함하고 있다.
JRE에 있는 모든 것 뿐만 아니라 컴파일러(javac)와 jdb, javadoc와 같은 도구도 있다.

JDK는 프로그램을 생성, 실행 컴파일 할 수 있다.

JRE (Java Runtime Environment)

JVM + 자바 클래스 라이브러리 (Java Class Library)등으로 구성되어 있다.
컴파일 된 Java 프로그램을 실행하는데 필요한 패키지이다.

JDK: 자바 프로그램을 실행, 컴파일, 개발용 도구이며 JRE,JVM을 모두 포함하는 포괄적인 키트이다.
JRE: 자바 프로그램을 실행할 수 있게 하는 도구이며 JVM을 포함하고 있다.

김동규

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