[Java] JVM 이란?

JVM 이란?

 C와 C++ 등과 같은 언어는 프로그램이 컴파일이 되면 해당 OS에 종속된 기계어 코드로 변환되어 다른 OS에서 실행을 할 수 없지만, 자바에서는 각기 다른 OS에서 자바 프로그램을 실행할 수 있습니다. 그 이유는 바로 JVM이 중계자 역할을 하여 어느 OS에서든 자바 프로그램이 컴파일되어 실행될 수 있기 때문입니다.

 

 

1. 자바 프로그램 실행 과정

1. 자바 컴파일러를 통해 Java Source를 컴파일합니다.
2. 컴파일된 Class 파일을 Class Loader에게 전달합니다.
3. Class Loader는 동적로딩을 통해 ByteCode들을 JVM에 있는 Runtime Data Area에 로딩합니다.
4. Execution이 Runtime Data Area에 있는 ByteCode들을 명령어 단위로 한 라인씩 해석하고 실행합니다.
5. 컴퓨터가 이해할 수 있도록 Excution은 ByteCode를 기계가 실행할 수 있는 기계어로 변경하는데 이때 Interpreter와 JIT가 사용됩니다.
6. 만약 실행 중에 Native(예: C언어)로 실행되는 것이 있다면 Native Method Interface 통해 실행될 수 있습니다.

ByteCode(바이트코드)란?

List of Java bytecode instructions - Wikipedia

• 자바 컴파일러에 의해 변환되는 코드로 명령어 크기가 1byte라 바이트코드라 부른다.
• 같은 명령어 집합을 사용하여 JVM에 의해 OS나 개발환경에 관계없이 실행 가능하게 한다.
• 고급언어로 작성된 소스코드를 JVM이 이해할 수 있는 중간 코드로 컴파일한 것을 말한다.

 

 

2. JVM의 구성요소

2-1. Class Loader

 Class Loader는 JVM의 중요한 구성 요소 중 하나로 총 세 가지 역할이 수행되며 자바 프로그램에서 클래스를 동적으로 로드하는 역할을 담당합니다. 필요한 클래스를 찾고, 클래스 파일을 읽어 Link를 통해 동적으로 Runtime Data Area에 배치합니다.

역할	설명
로딩 (Loading)	Class 파일을 읽어와 JVM의 메모리에 로드하는 단계
링크 (Linking)	로드된 Class에 대한 준비 작업이 수행되는 단계
초기화 (Initialization)	Class의 정적 변수들이 실제 값으로 초기화

 

2-2. Runtime Data Area

 실행 중인 프로그램에 대한 데이터를 관리하기 위해 사용되는 메모리 영역을 말합니다. 총 5가지 영역으로 구분이 되며 각각의 영역은 특정 목적을 가지고 있습니다.

	영역	설명
모든 스레드가 공유	Method Area	클래스 정보, 변수 정보, static으로 선언한 변수가 저장되며 프로그램 시작부터 종료될때까지 유지
	Heap	동적으로 생성된 객체가 저장되는 영역으로 GC의 대상이 되는 공간
각 스레드 별로 생성	Stack	지역변수나 메서드의 매개변수, 참조변수, 임시적으로 사용되는 변수, 메서드의 정보가 저장 즉, 사용되고 금방 사라지는 변수가 저장
	PC Register	스레드가 시작될 때 생성되며 스레드가 어떤 부분을 어떤 명령어로 수행할지를 저장하는 공간으로 현재 수행 중인 JVM 명령의 주소를 갖는다.
	Native Method Stack	Java가 아닌 다른 언어로 작성된 코드를 위한 공간, 즉 Java Native Interface를 통해 호출되는 Native Method를 저장하는 공간 (ex : C언어로 작성된 메서드)

 

2-3. Execution

 Execution은 Class Loader에 의해 Runtime Data Area에 배치된 ByteCode들을 하나씩 가져와 실행하거나 Garbage Collector를 실행시켜 주는 역할을 합니다. ByteCode를 실행하기 위해서는 ByteCode를 기계가 실행할 수 있는 기계어로 변경하여 사용되는데 Interpreter와 JIT(Just - In - Time) 두 가지 방법이 있습니다.

Interpreter	하나의 명령어를 읽고 해석하여 실행하는 방식
JIT(Just - In - Time)	빈번하게 실행되는 명령어를 기계어로 번역하여 캐시에 저장하여 사용
Garbage Collector	이미 할당된 메모리에서 더 이상 사용하지 않는 메모리를 해제함

 

JIT(Just - In - Time) 컴파일러란?

• Interpreter의 단점을 보완하기 위한 컴파일러
• 바이트코드를 CPU가 이해할 수 있는 언어로 바꾸는 컴파일러
• 자주 쓰이는 바이트코드를 기계어 코드로 변경하여 캐시에 저장 후 필요 시 캐시에서 가져와서 사용
• 프로그램을 오래 실행할수록 프로그램의 실행 속도가 빨라진다.

1. 자주 쓰이는 바이트코드가 처음 들어왔을 때 동작 과정
   • (1) JIT Compiler에 의해 기계어로 번역
   • (2) 번역된 기계어를 cashe에 저장
   • (3) 번역된 기계어를 전달
2. 자주 쓰이는 바이트코드가 다시 들어왔을 때 동작 과정
   • (4) 해당 바이트코드가 들어온 것을 확인
   • (5) cache에서 바이트코드에 해당되는 기계어를 가져옴
   • (6) 번역된 기계어를 전달

 

 

2-4. JNI(Native Method Interface)

 JNI는 자바 프로그램에서 자바 언어 외의 네이티브 언어와 상호 작용할 수 있는 인터페이스를 제공하는 기술입니다. JNI를 사용하면 자바 코드에서 네이티브 코드(ex : C언어, C++ 등)를 호출하고 네이티브 코드에서 자바 프로그램으로부터 호출되어 실행될 수 있습니다.

 

2-5. Native Method Libraries

 Native Method Libraries는 JNI를 사용하여 자바 언어 외의 네이티브 언어로 작성된 코드를 자바 프로그램에서 사용할 수 있도록 제공되는 라이브러리입니다.

 

 

3. JDK와 JRE

 자바 프로그램을 개발하고 실행하는 데 필요한 도구와 환경을 제공하는 소프트웨어 패키지입니다.

 

3-1. JDK(Java Development Kit)

 JDK는 자바 애플리케이션 및 컴포넌트를 개발하기 위해 필요한 도구와 라이브러리들의 집합입니다. JDK에는 다음과 같은 주요 구성 요소가 포함되어 있습니다.

구성 요소	설명
컴파일러(Compiler)	- 자바 소스 코드(.java 파일)를 바이트코드(.class 파일)로 변환하는 역할을 수행 - 자바 언어의 문법을 검사하고 오류를 확인하며 컴파일된 코드를 생성한다.
디버거(Debugger)	- 자바 프로그램의 실행 과정을 디버깅하고 오류를 찾는데 사용
개발 도구(Tools)	- 개발자가 자바 애플리케이션을 작성하고 관리하기 위한 다양한 도구를 제공 - 통합 개발 환경(IDE), 빌드 도구, 프로파일링 도구 등
라이브러리 및 클래스 파일	- 자바 프로그램 개발에 필요한 라이브러리와 클래스 파일이 포함
JRE	- 자바 애플리케이션을 실행하기 위한 실행 환경을 제공

 

3-2. JRE(Java Runtime Environment)

 JRE는 자바 애플리케이션을 실행하기 위한 실행 환경을 제공하고 개발 환경을 제공하지 않습니다. JRE에는 다음과 같은 주요 구성 요소가 포함되어 있습니다.

구성 요소	설명
JVM	JVM은 자바 바이트코드를 기계어로 번역하고 실행하는 역할을 담당
Runtime Library	자바 프로그램 실행에 필요한 런타임 라이브러리