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[Java Live Study] 1. JVM Architecture

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By Youjin Lee 10 min read

⚓백기선 강사님의 live study에 나온 주제들을 혼자 공부하고 정리하여 작성한 글입니다.⚓

📌 1주차 목표: Java 소스 파일(.java)을 JVM으로 실행하는 과정 이해하기

[1] JVM이란?

Java Virtual Machine의 약자로 자바 가상 머신이라고 불린다.

컴퓨터가 이해할 수 있는 것은 0과 1로 이루어진 2진수의 기계어이다. 인간이 작성하는 소스 코드를 컴퓨터가 이해하는 언어인 기계어(Machine Code) 혹은 바이너리 코드(Binary Code)로 변환하는 과정을 컴파일(Compile)이라고 한다.

운영체제마다 요구하는 기계어가 다르기 때문에 Windows에서 컴파일해서 변환된 기계어를 Linux는 이해하지 못한다. 하지만 JVM은 어떤 운영체제에서든 프로그램을 실행할 수 있도록 해준다. “Write Once. Run Anywhere.” JVM의 짧은 이 슬로건이 위 설명을 대신해준다.

[2] JVM 환경에서의 Compile & Execution

C와 Java 비교

C와 Java로 작성된 각각의 소스 코드가 컴파일되고 실행되는 과정을 비교해본다. C와 Java에서 컴파일&실행

  • C: 컴파일러가 소스 코드(.c)를 기계어를 포함하는 오브젝트 파일(.obj)로 변환한다. 링커가 오브젝트 파일을 통합해 하나의 실행가능한 파일(.exe)로 만든다.
  • Java: 컴파일러가 소스 코드(.java)를 바이트코드를 포함하는 클래스파일(.class)로 변환한다

직접 해보기

Hello World 프로그램을 작성하고 터미널을 통해 직접 컴파일하고 실행해본다.

Java 코드 작성하기

🔽 HelloWorld.java

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

컴파일하기

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javac HelloWorld.java

에러 없이 성공했다면 같은 위치에 HelloWorld.class가 만들어진다.

실행하기

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java HelloWorld

java.lang.ClassNotFoundException: HelloWorld.class를 찾을 수 없을 때 ClassNotFoundException이 발생한다.
1️⃣.class파일이 정말 만들어졌는지 확인해본다.
2️⃣해당 파일이 있는 디렉토리에서 명령어를 실행한 것이 맞는지 확인해본다.
3️⃣1번도 2번도 아니라면 java -cp [class 파일이 있는 경로] 명령어로 classpath를 명시하여 실행해본다.

[3] Byte Code(바이트코드)

바이트코드는 JVM이 이해할 수 있는 언어이다. 바이트코드를 JVM 위에서 실행하면, 실행환경에 맞추어 JVM이 바이트코드를 알맞은 형태의 기계어로 변환해준다. Java뿐 만 아니라 Groovy, Scala, Clojure 등 바이트코드로 컴파일이 가능한 언어라면 어느 운영체제 환경이던지 JVM이 설치되어 있기만 하면 해당 언어로 작성한 프로그램을 어디서든 실행할 수 있게 된다.

[4] JVM 환경 전체 프로세스

Java 전체 과정

JVM이 어떤 구조인지는 아래에서 자세히 설명할 것이기 때문에 이를 제외하고 특징을 나열해본다.

  • 컴파일타임과 런타임으로 나뉘어져 있고, JVM은 런타임에 속해 있다.
  • 컴파일타임에서는 Java 소스 코드(.java)를 javac 명령어를 사용해 바이트코드(.class)를 변환한다.
  • 런타임에서는 바이트코드(.class)를 java 명령어를 사용해 JVM이 실행환경에 알맞게 해석하도록 한다.

[5] JVM 구성

JVM은 Class loader, Runtime data area, Execution engine 세 가지 영역으로 구성되어 있다. JVM 구성

Class Loader

Loading

Loading은 세 종류의 class loader에 의해 진행된다.

  1. Bootstrap class loader: 미리 컴파일된 신뢰할 수 있는 클래스 파일이 들어 있는 RT.jar에서 클래스 파일을 메모리로 로드한다.
  2. Extension class loader: 추가적인 클래스 파일을 /jre/lib/ext/에서부터 메모리로 로드한다.
  3. Application class loader: 프로그래머가 작성한 어플리케이션 파일을 메모리로 로드한다.

Linking

Linking은 세 단계로 구성된다.

  1. Verify: 바이트코드 클래스 파일이 표준에 부합하는지 검증한다.
  2. Prepare: 정적 변수를 위한 메모리가 할당되고, 변수의 디폴트 값이 지정된다.
  3. Resolve: symbolic reference가 actual reference로 교체된다.(실제 물리적인 메모리 주소를 가리키게 된다.)

🎓Symbolic Reference🎓: symbolic reference는 논리적 참조이다. 즉, 객체가 참조하는 실제 메모리 주소를 가리키는 것이 아니라 객체 자체를 반환한다.

Initialization

  • 정적 변수에 실제 값이 할당된다.
  • Static initializer(정적 초기자)가 실행된다.

🎓Static Initializer🎓: static initializer는 프로그램을 실행할 때 단 한 번만 실행이 된다.
1️⃣클래스의 객체를 생성하거나
2️⃣객체가 아직 생성되지 않았더라도 static 멤버 변수나 static 멤버 함수에 최초 접근할 경우가 해당된다.

Runtime Data Area

  • Method Area: 클래스 데이터가 여기 저장된다. (Class Employee{...})
  • Heap Memory: 객체와 인스턴스 변수가 저장된다. (new Employee())
  • Stack Memory: 지역 변수, 연산자 스택, 프레임 데이터(예외 발생, 일반 메서드 반환 등 담당)가 저장된다.
  • PC Register: 현재 실행되는 명령어가 저장된다.
  • Native Method Stacks: 네이티브 메서드에 대한 정보가 저장된다.

JVM Execution Engine

  • Interprter: 클래스 파일이나 바이트코드를 한줄씩 읽는다. 문제는 같은 메서드가 여러 번 호출되면, 인터프리터는 해당 줄을 도 다시 해석한다.
  • JIT(Just In Time) compiler: 인터프리터의 문제를 극복하는 것을 돕는다. 메서드가 반복적으로 호출되면 JIT 컴파일러는 바이트코드를 네이티브 코드로 컴파일한다. 이 네이티브 코드는 반복적으로 호출되는 메서드에 바로 사용된다.
    • Intermediate code generator: 중간 코드 생성한다.
    • Code optimizer: 중간 코드의 성능을 개선한다.
    • Target code generator: 중간 코드를 네이티브 코드로 변환한다.
    • Profiler: 반복적으로 호출되는 지점을 찾는다.
  • Garbage collector: 더이상 사용하지 않는 객체를 제거한다.
  • Java native method interface: 네이티브 라이브러리와 상호작용하여 JVM 실행 엔진이 이를 사용할 수 있도록 한다.

[6] JRE와 JDK

  • JRE(Java Runtime Environment): JVM + 표준 라이브러리
  • JDK(Java Development Kit): JRE + 개발자를 위한 도구(javac, jdb, jar 등)
  • 프로그램 실행하기 위해서는 JRE만 설치해도 충분하지만, 개발을 목표로 한다면 JDK를 설치해야한다.
  • Java 언어 자체는 무료이지만, JDK는 어느 것을 사용하느냐에 따라 무료로 사용할 수도 있고, 유료로 사용해야할 수도 있다. (Oracle JDK는 상업적으로 이용 시 유료, Open JDK는 무료 등)

참고

Language&Framework, Java
java java_live_study
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