원티드 [프리온보딩 챌린지 BE]

둥냥둥냥둥·2023년 6월 5일
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Week 1-1

Java 꽉 잡아! JVM부터 GC, 스레드 동기화까지!

Java의 정의와 동작 방식에 대해 살펴봅니다.

Java, JRE, JDK, JVM, AOT, JIT, Java Bytecode, Code cache, ByteBuddy

[학습목표]

  • Java의 구성요소와 동작 방식
  • 클래스 로더와 클래스 로딩
  • Java 바이트코드와 코드 캐시
  • 바이트코드를 컴파일하는 AOT, JIT 컴파일러
  • [아하!모먼트] '내가' 수행 업무와 성과를 따로 기록하는 이유는?

Java의 구성요소와 동작 방식

Java란?

1995년 썬 마이크로시스템즈에서 나온 프로그래밍 언어이며, WORA 사상을 기반으로 설계된 범용 프로그래밍 언어이다.

  • Write once, run anywhere
  • High-Level Language
  • Class based
  • JVM을 통해 작동
  • 객체 지향 언어 (Object-Oriented Language)

순수 객체 지향 언어의 특징은?

  • 모든 사전 정의 데이터 타입과 사용자 정의 타입은 객체여야 한다
  • 객체에 대한 모든 작업은 객체 스스로 정해야 한다
  • 추상화
  • 다형성
  • 캡슐화
  • 상속

Java 아키텍처

  • Java 플랫폼

    • SE, EE, ME 등 JDK를 구현한 제품
    • 일반적으로 Java 개발 및 실행 환경을 의미
    • 흔히 JDK보다 더 넓은 의미로 사용

  • JDK(Java Development Kit)

    • 자바 개발 킷 (JRE + Development Tools)

  • JRE(Java Runtime Environment)

    • 자바 실행 환경 (JVM + Library)

  • JVM(Java Virtual Machine)

    • 자바 가상 머신 (프로그램 작동)
    • Java 바이트코드를 기계어로 변환하고 실행 (+@)

JDK 구성 요소

JDK(+JRE)

  • Java 프로그램 실행 및 개발 환경(툴) 제공
  • JDK 11 이후 JRE를 포함
    • OpenJDK 제공 및 일관된 환경 제공을 위해 단순화
    • 기존 JRE는 JVM, Class Loader, Java Class Libraries,
    • Resource 등 포함
  • JDK 9 버전에 도입된 JPMS로 내부 기능을 모듈화
    • JPMS - Java Platform Module System
    • 필요한 모듈만 모아 커스텀 JRE 생성해 메모리, 용량 등 절약
  • 참고
    • 모듈은 코드, 데이터를 그룹화하여 재사용이 가능한 정적인 단위
    • 컴포넌트는 독립적으로 실행될 수 있는 소프트웨어 단위

JVM

  • JVM(Java Virtual Machine), 자바 가상 머신
  • 논리적인 개념, 여러 모듈의 결합체
  • Java 앱을 실행하는 주체
  • JVM 때문에 다양한 플랫폼 위에서 동작 가능
  • 대표적인 역할, 기능
    • 클래스 로딩
    • GC 등 메모리 관리
    • 스레드 관리
    • 예외 처리

JVM Architecture

  • Class Loaders

    • 바이트코드 로딩, 검증, 링킹 등 수행

  • Runtime Data Areas

    • 앱 실행을 위해 사용되는 JVM 메모리 영역

  • Execution Engine

    • 메모리 영역에 있는 데이터를 가져와 해당하는 작업 수행

  • JNI (Java Native Interface)

    • JVM과 네이티브 라이브러리 간 이진 호환성을 위한 인터페이스
    • 네이티브 메서드(네이티브 언어 C/C++ 등으로 작성) 호출, 데이
      터 전달과 메모리 관리 등 수행

  • Native Libraries

    • 네이티브 메서드의 구현체를 포함한 플랫폼별 라이브러리

Java 동작 방식


Class Loaders(Java 동작 방식)

JVM Architecture: Class Loader System // https://gngsn.tistory.com/252
  • 클래스 로더는 런타임에 Java 클래스/인터페이스의 바이트코드를 동적으로 메모리에 로딩
    • 한 번에 모든 클래스가 메모리에 로드되지 않고 아닌 필요할 때마다 로드
  • 로딩 작업은 크게 3가지로 분리됨
    • Loading : JVM이 필요한 클래스 파일 로드
    • Linking : 로드된 클래스의 verify, prepare, resolve 작업 수행
    • Initializing : 클래스/정적 변수 등 초기화

JVM Run - Time Data Areas

  • The pc Register

    • 스레드 별로 생성되며 실행 중인 명령(오프셋)을 저장하는 영역

  • Java Virtual Machine Stacks (Stack Area, Java Stack)

    • 스레드 별로 생성되며 메서드 실행 관련 정보를 저장하는 영역 (프레임 저장)

  • Heap

    • JVM 실행 시 생성되며 모든 객체 인스턴스/배열에 대한 메모리가 할당되는 영역

  • Method Area

    • JVM 실행 시 생성되며 클래스의 구조나 정보를 저장하는 영역

  • Native Method Stacks

    • 스레드 별로 생성되며 네이티브 코드 실행에 관련 정보를 저장하는 영역

Execution Engine

  • JVM 메모리 영역에 있는 바이트코드를 읽어 네이티브코드로 변환하고 실행

    • Interpreter
      • 메모리에 로드된 바이트코드를 한줄 씩 해석/실행

  • JIT(Just-In-Time) Compiler

    • 자주 호출되는 메서드(hot method)의 바이트코드를 네이티브 코드로 컴파일
    • JVM이 실행 메서드를 모니터, JIT 컴파일러의 프로파일러가 수집한 프로파일 정보를 기반으로 처리
    • 중간 코드 생성 > 코드 최적화 > 네이티브 코드 생성

  • GC (Garbage Collector)

    • 메모리에서 사용하지 않는 개체를 식별해 삭제하는 프로세스 (대표적으로 Heap 영역)
    • 데몬 스레드로 동작 (명시적으로 호출해도 즉시 실행되지 않음)

  • 필요한 경우 JNI를 통해 네이티브 메서드 라이브러리를 호출

JNI (Java Native Interface)

  • 네이티브 라이브러리 사용을 위한 인터페이스이자 동시에 해당 역할을 수행
  • JNI를 통해 JVM내 Java 코드는 네이티브 언어/라이브러리와 상호 운용될 수 있음
    • JNI는 Java VM에 의존적이지 않아 다른 부분에 영향을 주지 않고 JNI에 대해서 추가 가능

Native Method Libraries

  • 네이티브 언어/어셈블리와 같은 언어로 작성된 네이티브 메서드를 포함한 라이브러리
  • JVM에서 호출할 때 JNI를 통해 로딩

컴파일러와 인터프리터

  • 컴파일러 (Compile 방식)
  • 프로그래밍 언어로 작성된 코드를 타겟 언어로 변환(번역)하는 프로그램
  • 주로 High-Level 언어를 Low-Level 언어(assembly, object code, machine code 등)로 변환
    • 또한 전처리와 어휘/구문/의미 분석, 코드 최적화(optimization), 기계어 생성 등 역할도 수행
  • 인터프리터 (Interpret 방식)
    • 읽은 코드 및 해당 명령을 직접 분석/실행하는 프로그램
    • 인터프리터 전략
      1. 코드 구문을 분석, 동작을 직접 수행
      2. 코드를 object code (중간 코드)로 변환, 즉시 실행
      3. 컴파일러에 의해 생성된 바이트코드를 명시적으로 실행
  • Java는 2, 3 번의 혼합

Java 코드 실행 방식

  • Java는 Interpret? Compile? 무슨 방식일까?

    • Java는 두 가지 방식을 혼합하여 사용하는 하이브리드 모델
      • javac로 소스 코드를 바이트코드(object code)로 변환
      • 변환된 바이트코드를 JVM 인터프리터가 분석, 실행

  • 일반적으로 Java를 컴파일 언어로 분류하는 이유?

    • 실제로 javac를 통해 .java 파일을 .class 파일로 컴파일하기 때문에

Java 동작 방식 정리

  1. 작성한 소스 파일(.java)을 Java 컴파일러(javac)가 바이트코드(.class)로 변환
  2. JVM이 실행되면 바이트코드 실행에 필요한 것들을 클래스 로더가 로딩
    • 메모리에 로딩된 클래스의 구조, 메서드 등 일련 정보들을 JVM 내부에 저장
  3. 로딩된 클래스의 바이트코드를 JVM의 실행 엔진이 해석, 실행
    • 인터프리터를 통해 해석과 동시에 실행
    • 추후에 자주 사용되는 메서드 등을 JIT 컴파일러를 통해 네이티브 코드로 변환
  4. 실행 준비가 모두 완료 되면 JVM은 메인 메서드(Entry point)를 호출
  5. 호출된 메인 메서드를 실행할 메인 스레드가 생성되며 메인 스레드의 JVM stacks이 생성됨
  6. 그 후 생성된 메인 스레드 JVM stacks에 메인 메서드 스택 프레임이 생성됨
  7. 이후 앱이 실행되며 필요한 시점마다 필요한 처리를 수행하며 메모리 확보 및 데이터 저장
    • 클래스, 메서드 정보를 Method Area에 저장
    • Heap에 해당 인스턴스 할당
    • Frame 생성
    • JNI 스택 생성
  8. JVM은 실행되는 Java 앱에 대해서 메모리, 스레드 등 관리
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