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

- 목표

    - 자바 소스 파일(.java)을 JVM으로 실행하는 과정 이해하기.

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- 학습할 것

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

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● JVM이란 무엇인가

- 자바 가상 머신 (Java Virtual Machine, JVM)

- 기술적 정의: JVM은 코드를 실행하고 해당 코드에 대해 런타임 환경을 제공하는 소프트웨어 프로그램에 대한 사양(Specification)이다.

- 일반적 정의: JVM은 자바 프로그램을 실행하는 방법이다. JVM의 설정을 구성한 다음 설정사항에 따라 실행 중에 프로그램 리소스를 관리한다.

- .java(소스코드)로 부터 컴파일된 .class(자바 바이너리 파일)을 실행한다.

• 자바가상머신(하드웨어 역할)
• JVM은 물리적인 컴퓨터가 아닌 가상컴퓨터이다.
• .java(소스코드)로부터 컴파일된 .class(자바 바이너리파일)을 실행한다.
• .class 파일을 OS 에 맞는 machine code 로 변환 (인터프리터 & JIT 컴파일러)
• 플랫폼(OS) 에 종속적

 

 

- 이용:

• 시스템 메모리를 관리하면서 자바 기반 어플리케이션을 위해 이식 가능한 실행 환경을 제공한다.
• 자바 프로그램이 어느 기기, 또는 어느 운영체제 상에서도 실행될 수 있게 하는 것과 프로그램 메모리를 관리하고 최적화해준다.

● 컴파일과 실행 하는 방법

- Eclipse나 기타 개발툴을 사용해 .java 파일을 생성합니다. 그리고 Build 라는 작업을 하게 되면 Java Complier의 javac 라는 명령어를 사용해 .class 파일을 생성하게 됩니다. 이 것은 아직 컴퓨터가 읽을 수 없는 자바 바이트코드(반기계어) 입니다.

1. Hello World를 출력하는 프로그램을 작성하고 그 이름을 main.java로 파일을 생성한다.
2. 작성된 main.java 파일의 경로를 확인한다.
3. cmd창을 이용하여 해당 경로에 (cd 경로) 접속 후 javac과 함게 해당 파일의 이름을 입력해준다.(javac main.java)
4. main.java파일은 컴파일 되어 main.class 파일로 새로 생성된다.
5. cmd창에 java main 이라는 명령어를 입력하면 Hello World라는 문구가 출력된다.

● 바이트 코드란 무엇인가

- 자바 바이트 코드(Java bytecode)란 자바 가상 머신이 이해할 수 있는 언어로 변환된 자바 소스 코드를 의미합니다.      자바 컴파일러에 의해 변환되는 코드의 명령어 크기가 1바이트라서 자바 바이트 코드라고 불리고 있습니다. 이러한 자바 바이트 코드의 확장자는 .class입니다. 자바 바이트 코드는 자바 가상 머신만 설치되어 있으면, 어떤 운영체제에서라도 실행될 수 있습니다. (아직 컴퓨터가 읽을 수 없는 반기계어)

● JIT컴파일러란 무엇이며 어떻게 동작하는가

• JIT(Just-in-Time) 컴파일러는 바이트코드를 컴퓨터 프로세서(CPU)로 직접 보낼 수 있는 명령어로 바꾸는 프로그램이다.
• JIT 컴파일러의 주요 정의 특성은 프로그램이 시작되고 코드를 컴파일한 후에 JIT 컴파일러를 실한한다는 것이다.
• 자바 바이트 코드는 인터프리터 언어(interpreter language)이다. 한줄씩 읽고 해석하고, 그에 해당하는 기능을 실행시키는 인터프리터 언어이기에 비효율적. (실행 속도가 느린 상황) -->> 이를 보완하기 위하여 나온게 JIT컴파일러
• JIT의 동작

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• JIT 컴파일러는 런타임에 적절한 바이트 코드 시퀀스를 기계 코드로 컴파일한다.
• 컴파일 된 바이트 코드가 프로세서에 전송되며, 여기에서 코드 지침이 수행된다.
• 동일한 바이트 코드 블록이 다시 필요한 경우 이전에 생성된 개체 코드가 사용된다.
• 코드를 모니터링 하여 다시 쓰이는 코드 경로(핫)를 만들어 코드를 최적화 할 수 있다.

● JDK와 JRE의 차이점

 - JDK

• JAVA Development kit : 자바 프로그래밍 시 필요한 컴파일러 등 포함.
• JDK는 개발을 위해 필요한 도구(javac, java 등) 들을 포함함다.
• JDK를 설치하면 JRE도 같이 설치가 된다.
• 즉, JDK = JRE + @ 라고 생각하면 된다.

- JRE

• JAVA Runtime Enviroment : 컴파일 된 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. (개발관련 x , 실행관련 o)
• 하지만 자바 프로그래밍 도구는 포함되어있지 않기 때문에 자바 프로그래밍을 하기 위해선 JDK가 필요하다.
• JVM용 운영체제(OS 역할).
• JVM이 자바 프로그램을 실행하기위해 필요한 라이브러리와 파일들을 갖고있다.
• 즉, JRE = JVM + @ 라고 생각하면 된다.

● JVM의 구성요소(구조)

• 실행될 .class 파일을 메모리에 로드 후 초기화 작업 수행한다.
• 메소드와 클래스 변수들을 해당 메모리 영역에 배치한다.
• 클래스 로드가 끝난 후 JVM은 main() 메소드를 찾아 지역변수, 객체변수, 참조변수를 스택에 쌓는다.

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- Class Loader

• 자바 컴파일러가 .java 파일을 컴파일하면 .class 파일(자바 바이트 코드)이 생성된다.
• 이렇게 생성된 .class 파일들을 엮어 Runtime Data Area 형태로 메모리에 적재하는 역할을 한다.
• 로딩, 링크, 초기화 과정이 수행된다. (맨 아래 링크 참조)

- Execution Engine

• Class Loader를 통해 JVM 내의 런타임 데이터 영역에 배치된 바이트 코드(.class)를 실행한다.
• 이때, 자바 바이트 코드를 명령어 단위로 읽어서 실행한다. 바이트코드 ->> 기계가 실행할 수 있는 기계어.
• Interpreter 
   - 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) Compiler
   - 인터프리터의 단점을 보완하기 위하여 도입된 것.
   - 인터프리터 방식으로 실행하다가 적절한 시점에 바이트코드 전체를 컴파일하여 네이티브 코드로 변경하고, 이후에는 해당 메서드를 더 이상 인터프리팅하지 않고 네이티브 코드로 직접 실행하는 방식이다.
   - 아래의 자세한 과정 설명을 할 것 이다.

- Garbage Collector (=GC)

• 힙 메모리 영역에 존재하는 객체들(new 연산자를 이용한 객체 등..) 중에 생존 여부를 판단하여 더 이상 사용되지 않는 객체를 제거하는 방식으로 메모리를 자동 관리한다.
• GC가 역할을 하는 시간은 정확히 언제인지를 알 수 없다.(참조가 없어지자마자 해체되는 것을 보장하지 않음.)
• 프로그램을 실행하다가 메모리가 부족해져 메모리가 더 필요해지는 시점에 실행된다.
• GC가 수행되는 동안 GC를 수행하는 쓰레드가 아닌 다른 모든 쓰레드가 일시정지 된다.

수행 과정은 링크참조.(출처 이미지 클릭)

• GC는 어떤 객체에 유효한 참조가 있으면 'reachable'로, 없으면 'unreachable'로 구별하고, unreachable 객체를 가비지로 간주해 GC를 수행하게 됩니다. (참조사슬 구조 -->  항상 유효한 참조 생성(Root Set)).

- Runtime Data Area

• JVM이 운영체제 위에서 실행되면서 할당받는 메모리 영역이다. Class Loader에서 준비한 데이터들을 보관하는 저장소이다.

런타임 데이터 영역은 6개의 영역으로 나누어 지는데 , PC Register와 Stack Area, Native Method stack 은 쓰레드마다 차지 하는 영역이며 Heap Area, Method Area, Runtime Constant Pool 영역은 모든 쓰레드가 공유하는 영역이다.(출처 이미지 클릭)

- Method Area

• 컴파일된 클래스파일의 자바 바이트 코드의 모든 데이터가 올라가는 영역이다.
• 포함되는 범위는 클래스와 인터페이스, 전역 변수, 생성자와 메소드, static 자료형이 붙은 필드와 메소드 등등 을 저장하는 공간.
• 모든 쓰레드가 공유하는 Method area에 올라가기 때문에 어느 쓰레드에서든지 클래스 내의 메소드 혹은 전역 변수 값에 접근할 수 있는 것이다.

- Runtime Constant Pool

• 각 클래스와 인터페이스의 상수 뿐만 아니라, 메소드와 필드에 대한 모든 Reference까지 담고 있는 테이블이다.
• 즉, 어떤 메소드나 필드를 참조할 때, JVM은 런타임 상수 풀을 통해 메소드나 필드의 실제 메모리 상 주소를 참조하여 중복을 막는 역할을 한다.
• 어떤 메서드나 필드를 참조할 때 JVM은 런타임 상수 풀을 통해 해당 메서드나 필드의 실제 메모리상 주소를 찾아서 참조한다. (JVM에서 중요한 역할)

- Heap Area

• JVM이 관리하는 프로그램 상에서 데이터를 저장하기 위해 런타임 시 동적으로 할당하여 사용하는 영역이다.
• new 연산자로 생성된 객체 또는 인스턴스와 배열을 저장한다.
• 힙 영역에서 생성된 객체와 배열은 스택 영역의 변수나 다른 객체의 필드에서 참조한다.
• 참조하는 변수나 필드가 없다면 의미 없는 객체가 되어 GC의 대상이 된다.

- Stack Area (JVM Stack)

• 클래스 내의 메소드에서 사용되는 정보들이 저장되는 공간입니다. (임시 저장 공간)
• 매개변수, 지역변수, 리턴값 등이 저장되며 LIFO(Last In First Out) 방식으로 메소드 실행 시 저장되었다가 실행이 완료되면 제거됩니다.(임시 저장공간으로 생각하시면 됩니다.)
• JVM은 오직 JVM 스택에 스택프레임을 추가하고(push) 제거하는(pop) 동작만 수행한다.
• 힙 영역에 있는 객체가 스택 영역에서 참조할 수 없는 경우 GC의 대상이 된다.

- PC Register

• 현재 수행중인  JVM명령의 주소가 저장되있다. (현재 실행할 부분을 가리킨다.)
• 쓰레드마다 Program Counter 를 가지고 있다.

- Native Method Stack

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

 

 

참조 문헌 : 

https://velog.io/@dnjscksdn98/Java-What-is-JVM

[Java] What is JVM?

https://dailyheumsi.tistory.com/196

[더 자바] JVM 이해하기

https://jeong-pro.tistory.com/m/148

JVM 구조와 자바 런타임 메모리 구조 (자바 애플리케이션이 실행될 때 JVM에서 일어나는 일, 과정

https://beomseok95.tistory.com/221?category=1064782

Java - 메모리관리 ( 스택& 힙) [펌]

https://m.blog.naver.com/ki630808/221844888233

♥♥ JIT 컴파일러 (Just-In-Time)

https://neos518.tistory.com/m/93

Java JIT compiler