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

목표

자바 소스 파일(.java)을 JVM으로 실행하는 과정 이해하기.

학습할 것

1. JVM이란 무엇인가
2. 컴파일 하는 방법
3. 실행하는 방법
4. 바이트코드란 무엇인가
5. JIT 컴파일러란 무엇이며 어떻게 동작하는지
6. JVM 구성 요소
7. JDK와 JRE의 차이

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1.JVM이란 무엇인가

출처 : 이것이 자바다 - 신용권 지음

• JVM(Java Virtual Machine)은
  운영체제를 대신해서 자바 프로그램을 실행하는 가상의 운영체제 역할을 한다.
  운영체제별로 프로그램을 실행하고 관리하는 방법이 다르기 때문에,
  운영체제와 자바 프로그램을 중계하는 JVM(Java Virtual Machine)을 두어
  자바 프로그램이 여러 운영체제에서 동일한 실행결과가 나오도록 설계한 것이다.
  자바 프로그램은 완전한 기계어가 아닌, 중간 단계의 바이트 코드이기 때문에
  이것을 실행할 수 있는 JVM(Java Virtual Machine)이 필요하다.

좀더 쉽게 예를 들자면 다른 모르는 언어들을 한국어로 바꿔주는 통역사의 역할이랄까?

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2.컴파일 하는 방법

3.실행 방법

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위의 사진을 보며 이해 해 보자.

helloword.java 라는 소스파일이 있다고 가정하고 컴파일을 한다고 가정해 보면
helloword.java를
자바컴파일러(javac.exe)를 통해
helloword.class 의 바이트 코드 파일로 변경(컴파일)한다.
그리고 변경된(컴파일된) 바이트코드파일 (helloword.class)을
jvm(java.exe)으로 구동하여 각각의 운영 체제에 맞게 실행가능 해 진다.

컴파일 및 실행 방법을 실습을 해보자 (맥 기준 입니다.)
저장경로는 편의상 바탕화면(desketop)
hello word test 폴더에 소스파일을 저장 하였습니다.
텍스트 편집기을 열어 아래 소스코드를 작성하고 HelloWorld.java 확장자까지 붙여 저장을 하자.

public class HelloWorld {
public static void main(String[] args) {
System.out.println("헬로 월드");
   }
}

아래 사진은 2.컴파일 하는 방법와 3.실행 방법 의 과정을 담은 예제이다.
사진의 1. 2. 3. 을 천천히 살펴보자.

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4.바이트코드란 무엇인가

• 바이트코드(Bytecode)는 고급 언어로 작성된 소스 코드를 가상머신이 이해할 수 있는 중간 코드로 컴파일한 것을 말한다.

• 바이트코드는 기계어는 아니지만 가상 머신에 의해 기계어로 손쉽게 변환할 수 있는 코드이다.
  가상머신은 이 바이트코드를 각각의 하드웨어 아키텍처에 맞는 기계어로 다시 컴파일한다.
  어셈블리어에 가까운 형태를 띄고 있으며 어떨 때는 가상머신용 오브젝트 코드까지 바이트코드라고 부르기도 한다.

  출처 나무위키

위의 사진과
예제 을 참고해 보자.

1. jvm 의 설명에 자바 프로그램은 완전한 기계어가 아닌, 중간 단계의 바이트 코드 라는 설명이 있다.

아래는 자바 바이트코드이다.
위의 코드 HelloWord.java를 자바 바이트코드로 컴파일한 결과(HelloWorld.class)이다.

public class HelloWorld {

  // compiled from: HelloWorld.java

  // access flags 0x1
  public <init>()V
   L0
    LINENUMBER 1 L0
    ALOAD 0
    INVOKESPECIAL java/lang/Object.<init> ()V
    RETURN
   L1
    LOCALVARIABLE this LHelloWorld; L0 L1 0
    MAXSTACK = 1
    MAXLOCALS = 1

  // access flags 0x9
  public static main([Ljava/lang/String;)V
   L0
    LINENUMBER 3 L0
    GETSTATIC java/lang/System.out : Ljava/io/PrintStream;
    LDC "\ud5ec\ub85c \uc6d4\ub4dc"
    INVOKEVIRTUAL java/io/PrintStream.println (Ljava/lang/String;)V
   L1
    LINENUMBER 4 L1
    RETURN
   L2
    LOCALVARIABLE args [Ljava/lang/String; L0 L2 0
    MAXSTACK = 2
    MAXLOCALS = 1
}

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5.JIT 컴파일러란 무엇이며 어떻게 동작하는지

• JIT 컴파일(just-in-time compilation) 은 프로그램을 실제 실행하는 시점에 기계어로 번역하는 컴파일 기법이다.

• 전통적인 입장에서 컴퓨터 프로그램을 만드는 방법은 두 가지가 있는데, 인터프리트 방식과 정적 컴파일 방식으로 나눌 수 있다. 이 중 인터프리트 방식은 실행 중 프로그래밍 언어를 읽어가면서 해당 기능에 대응하는 기계어 코드를 실행하며, 반면 정적 컴파일은 실행하기 전에 프로그램 코드를 기계어로 번역한다.

  • JIT 컴파일러는 두 가지의 방식을 혼합한 방식으로 생각할 수 있는데, 실행 시점에서 인터프리트 방식으로 기계어 코드를 생성하면서 그 코드를 캐싱하여, 같은 함수가 여러 번 불릴 때 매번 기계어 코드를 생성하는 것을 방지한다.

  최근의 자바 가상 머신과 .NET, V8(node.js)에서는 JIT 컴파일을 지원한다.
  즉, 자바 컴파일러가 자바 프로그램 코드를 바이트코드로 변환한 다음,
  실제 바이트코드를 실행하는 시점에서 자바 가상 머신이 바이트코드를 JIT 컴파일을 통해 기계어로 변환한다.

6.JVM 구성 요소

사진 출처 https://www.edureka.co/blog/java-architecture/#whatisjavaarchitecture

JVM의 구조는 크게

• 클래스로더(Class Loader),

• 실행 엔진(Execution Engine),

• 데이터 영역(Runtime Data Area),

• Garbage Collector 로 구분

  1. 클래스 로더 :
     자바에서 소스를 작성하면 Person.java 처럼 .java파일이 생성된다.
     .java 소스를 자바컴파일러가 컴파일하면 Person.class 같은 .class파일(바이트코드)이 생성된다.
     이렇게 생성된 클래스파일들을 엮어서 JVM이 운영체제로부터 할당받은 메모리영역인 Runtime Data Area로 적재하는 역할을 Class Loader가 한다.(자바 애플리케이션이 실행중일 때 이런 작업이 수행된다.)
     Java 프로그램을 실행할 때마다 클래스 로더가 먼저로드.

  2. 실행 엔진(Execution Engine) :
     Class Loader에 의해 메모리에 적재된 클래스(바이트 코드)들을 기계어로 변경해 명령어 단위로 실행하는 역할을 한다.
     명령어를 하나 하나 실행하는 인터프리터(Interpreter)방식이 있고
     JIT(Just-In-Time) 컴파일러를 이용하는 방식이 있다.
     JIT 컴파일러는 적절한 시간에 전체 바이트 코드를 네이티브 코드로 변경해서 Execution Engine이 네이티브로 컴파일된 코드를 실행하는 것으로 성능을 높이는 방식이다.

  3. Garbage collector :
     Garbage Collector(GC)는 Heap 메모리 영역에 생성(적재)된 객체들 중에 참조되지 않는 객체들을 탐색 후 제거하는 역할을 한다.

  4. 데이터영역 (메모리영역, Runtime Data Area)

  • JVM의 메모리 영역으로 자바 애플리케이션을 실행할 때 사용되는 데이터들을 적재하는 영역이다.
    이 영역은 크게 Method Area, Heap Area, Stack Area, PC Register, Native Method Stack로 나눌 수 있다.

__1. Method area (메소드 영역)__ 클래스 멤버 변수의 이름, 데이터 타입, 접근 제어자 정보같은 필드 정보와 메소드의 이름, 리턴 타입, 파라미터, 접근 제어자 정보같은 메소드 정보, Type정보(Interface인지 class인지), Constant Pool(상수 풀 : 문자 상수, 타입, 필드, 객체 참조가 저장됨), static 변수, final class 변수등이 생성되는 영역이다. __2. Heap area (힙 영역)__ new 키워드로 생성된 객체와 배열이 생성되는 영역이다. 메소드 영역에 로드된 클래스만 생성이 가능하고 Garbage Collector가 참조되지 않는 메모리를 확인하고 제거하는 영역이다. __3. Stack area (스택 영역)__ 지역 변수, 파라미터, 리턴 값, 연산에 사용되는 임시 값등이 생성되는 영역이다. int a = 10; 이라는 소스를 작성했다면 정수값이 할당될 수 있는 메모리공간을 a라고 잡아두고 그 메모리 영역에 값이 10이 들어간다. 즉, 스택에 메모리에 이름이 a라고 붙여주고 값이 10인 메모리 공간을 만든다. 클래스 Person p = new Person(); 이라는 소스를 작성했다면 Person p는 스택 영역에 생성되고 new로 생성된 Person 클래스의 인스턴스는 힙 영역에 생성된다. 그리고 스택영역에 생성된 p의 값으로 힙 영역의 주소값을 가지고 있다. 즉, 스택 영역에 생성된 p가 힙 영역에 생성된 객체를 가리키고(참조하고) 있는 것이다. 메소드를 호출할 때마다 개별적으로 스택이 생성된다. __4. PC Register (PC 레지스터)__ Thread(쓰레드)가 생성될 때마다 생성되는 영역으로 Program Counter 즉, 현재 쓰레드가 실행되는 부분의 주소와 명령을 저장하고 있는 영역이다. (*CPU의 레지스터와 다름) 이것을 이용해서 쓰레드를 돌아가면서 수행할 수 있게 한다. __5. Native method stack__ 자바 외 언어로 작성된 네이티브 코드를 위한 메모리 영역이다. 보통 C/C++등의 코드를 수행하기 위한 스택이다. (JNI) 쓰레드가 생성되었을 때 기준으로 1,2번인 메소드 영역과 힙 영역을 모든 쓰레드가 공유하고, 3,4,5번인 스택 영역과 PC 레지스터, Native method stack은 각각의 쓰레드마다 생성되고 공유되지 않는다.

jvm의 사진, 설명, 자세한 사항은 출처 https://jeong-pro.tistory.com/148

7.JDK와 JRE의 차이

• JDK : Java Development Kit의 약자 이며 JRE를 포함 + @ 이다.

  • JDK 는 Java 애플리케이션 및 애플릿을 개발하는 데 사용되는 소프트웨어 개발 환경.
    여기에는 JRE 및 여러 개발 도구, 인터프리터 / 로더 (java), 컴파일러 (javac), 아카이버 (jar), 문서 생성기 (javadoc)가 다른 도구와 함께 포함되어 있습니다.

• JRE : Java Runtime Environment의 약자

  • JRE 소프트웨어는 Java 프로그램을 실행할 수있는 런타임 환경을 구축.
    JRE는 Java 코드를 가져 와서 필요한 라이브러리와 결합한 후 JVM을 시작하여 실행하는 온 디스크 시스템입니다. JRE에는 Java 프로그램을 실행하는 데 필요한 라이브러리와 소프트웨어가 포함되어 있습니다.