[JAVA] 1주차 - JVM은 무엇이며 자바 코드는 어떻게 실행하는 것인가

출처 : https://nakyungim.tistory.com/entry/JAVA-Java-%EC%A0%9C%EA%B1%B0-%ED%9B%84-%EC%9E%AC%EC%84%A4%EC%B9%98

 

👻 자바가 만들어지게 된 배경

자바는 기본적으로 C/C++과 비슷하지만 C/C++을 사용하면서 나타나는 복잡하고 안전하지 않은 문제를 해결하고자 했다.

초기에 자바가 지향한 바로는 multiple host architecture 와 secure으로 한 번 쓰고 어느 곳에서도 실행할 수 있는 것을 목표로 했다. (Write Once Run Anywhere)

자바로 개발된 프로그램은 CPU나 운영 체제의 종류에 관계없이 JVM을 설치할 수 있는 시스템에서 어디서나 실행할 수 있으며 웹 애플리케이션의 특성과 맞아떨어져 폭발적인 인기를 끌게 되었다.

 

🙄 JVM이란 무엇인가?

• 정의 : 자바 가상 기계(JVM : Java Virtual Machine)로서 자바 바이트코드를 실행할 수 있는 주체
• 설계자 : 제임스 고슬링(James Gosling)
• 구성 : Class Loader, Excution Engine, Garbage Collector, Runtime Data Area
• 장점 : CPU나 운영체제 종류와 무관하게 실행이 가능하다.(=플랫폼 독립적)
• 단점 : 다른 인터프리터 방식의 언어보다는 상당히 빠른 수행능력을 보이지만, 일괄 컴파일 방식 언어보다는 수행 속도가 느리다.

 

++ 추가 내용

JVM은 JAVA언어의 어떤 것도 알지못하고 바이트코드인 .class 형식만 알고 있다. 그렇기 때문에 우리가 Java파일을 만들면, 자바 컴파일러는 자바 언어로 작성된 프로그램을 바이트 코드라는 특수한 바이너리 형태(.class)로 변환한다. (.class 파일에는 JVM 명령어 또는 바이트 코드와 기호 표 및 기타 보조 정보가 포함되어 있다.)

 

 

 

📌 JVM의 특징

1. 스택 기반의 가상 머신
   
   • 대다수의 명령어가 스택 선두에서 피연산자를 택하고 결과를 다시 스택에 넣는 방식으로 진행한다.
2. 심볼릭 레퍼런스
   • 기본 자료형(primitive data type)을 제외한 모든 타입(클래스, 인터페이스 등)을 심볼릭 레퍼런스를 통해 참조한다. 
   • 기본자료형 : boolean, char, byte, short, int, long, float, double
3. 가비지 컬렉션
   • 사용자 코드를 명시적으로 생성하고 가비지 컬렉션에 의해 자동으로 파괴 된다.
4.  모든 기본 자료형을 명확하게 정의하여 플랫폼 독립성 보장
   • C/C++등의 언어는 플랫폼에 따라 int형의 크기가 변한다.
   • JVM은 기본 자료형을 명확하게 정의하여 호환서을 유지하고 플랫폼 독립성을 보장한다.
5.  네트워크 바이트 오더
   • 자바 클래스 파일은 네트워크 전송 시에 사용하는 바이트 오더인 네트워크 바이트 오더를 사용한다.

 

 

📌 JVM(Java Virtural Machine)의 구성요소

 

1. 클래스 로더 (Class Loader)
   • 컴파일러에 의해 만들어진 .class 파일을 Runtime Data Area로 적재하는 역할(=메모리에 올리는 역할)을 한다.
   • loading, linking, initialization 과정을 거친다.
     • loading : .class파일을 읽어서 Method Area에 저장한다. (클래스/인터페이스/Enum과 관련이 있는지 확인하고, 변수/메소드/클래스의 정보를 가지고 있다.)
     • linking : class파일의 정확성을 검증(실패하면 런타임에러)하고, 클래스 변수에 메모리를 할당하고 초기화한다.
     • initialization : static변수 할당
2. Runtime Data Area
   • 프로그램을 실행하는 동안 사용되는 다양한 런타임 데이터 영역을 정의한다.
   • 데이터 영역으로는 Method, Heap, Stack, PC register, Native Method Stack이 존재한다.
     • Method Area : 공유 리소스로 정적 변수, 클래스 이름, 메소드 및 변수 정보 저장
     • Heap Area : 공유 리소스로 모든 개체의 정보가 저장
     • Stack Area : 스레드별로 스택이 존재하며, 로컬 변수 저장
     • PC register : 스레드의 실행 명령 주소
3. Execution Engine
   • .class를 바이트 코드를 한줄씩 읽으며 명령어 단위로 실행한다.
     • Interprter 방식 : 바이트 코드를 한 줄씩 읽고 해석한다.
     • JIT 방식 : 
4. 가비지 콜렉터 (Garbage Collector)
   • Heap메모리에 적재된 객체들 중 참조되지 않은 객체를 삭제한다.

 

 

📌 컴파일 하는 방법

javac "클래스 이름.java"

위와 같은 명령어를 작성하면 클래스 이름.class(바이트형태)가 만들어진다.

 

자바의 컴파일러의 역할

• 자바 언어를 JVM이 이해하는 자바 바이트코드로 번역한다. 

 

자바의 컴파일 과정

1. 개발자들이 ide나 terminal 환경에서 .java 파일을 생성한다.
2. build라는 작업을 통해 .class 파일을 생성하게 된다.

javac 옵션

 

 

📌 실행하는 방법

java 클래스이름.class

classLoader가 class를 Method Area로 올리고 byte코드가 정확한지 확인한 후 Execution Engine에서 실행된다.

 

 

📌 바이트코드란 무엇인가

앞서 말했듯이 JVM은 플랫폼에 종속적이지 않고, 어느 곳에서나 동작할 수 있다.
JVM이 플랫폼 종속적이지 않는 가장 큰 이유가 바이트코드를 사용하고 있다는 점이다.

JVM이 이해할 수 있는 언어로 변환된 바이트 코드는 사용자 언어인 자바와 기계어 사이의 중간 언어이며, 자바 코드를 배포하는 가장 작은 단위이다.

 

 

 

📌 JIT 컴파일러? 어떻게 동작할까?

JIT(Just In Time) 가 나오게 된 배경

클래스파일을 실행하는 방법으로 Interpreter방식이 있다. 그러나, 하나의 방법을 여러 번 호출할 경우 매번 해석이 필요하여 실행 속도가 느리다는 단점이 있다.

이러한 단점을 극복하기 위해/컴파일러의 효율성을 높이기 위해 JIT컴파일러가 나왔다.

 

JIT(Just In Time) 란?

바이트코드 전체(.class 파일)를 컴파일하여 네이티브 코드로 변경한다.

인터프리터가 반복되는 메서드 호출을 볼 때마다 JIT 컴파일러가 해당 부분에 대해 직접 네이티브 코드를 제공하여 재해석이 필요하지 않으므로 효율성이 향상된다.

 

cf) 네이티브 언어란?

 

📌 JDK와 JRE의 차이

출처 : https://sangwoo0727.github.io/java/JAVA-2_jdk/

 

JDK(Java Developement kit)

자바 환경에서 돌아가는 프로그램을 개발하는 데 필요한 툴(JRE, 컴파일러, 디버거)들을 모아둔 소프트웨어 패키지

 

JRE(Java Runtime Environment)

JRE는 자바 어플리케이션을 수행하기 위한 SW라고 볼 수 있다.

• 자바 파일을 JVM으로 로딩시키는 역할
• JVM은 자바파일을 해석해서 실행할 수 있는 상태로 만들어준다.
• jre는 자바 프로그램이 실행되기 위한 최소환경 = java파일을 실행만 시킬 것이라면 jre만 있어도 가능하다.
• runtine environment은 다른 소프트웨어를 실행하기 위해 고안되는 일종의 소프트웨어임

 

자바 어플리케이션을 개발하기 위해서
JDK를 필수로 설치해야한다.

 

 

출처

d2.naver.com/helloworld/1230

- oracle JVM : docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se7/html/jvms-1.html#jvms-1.1

- How JVM work : https://www.geeksforgeeks.org/jvm-works-jvm-architecture/

- JDK 와 JRE의 차이 :  https://www.geeksforgeeks.org/differences-jdk-jre-jvm/

- 위키백과 자바 : https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%9E%90%EB%B0%94_(%ED%94%84%EB%A1%9C%EA%B7%B8%EB%9E%98%EB%B0%8D_%EC%96%B8%EC%96%B4) 

- 위키백과 JVM : ko.wikipedia.org/wiki/%EC%9E%90%EB%B0%94_%EA%B0%80%EC%83%81_%EB%A8%B8%EC%8B%A0