1주차 : JVM 과 자바 실행

📌 목표

자바 소스 파일(.java)을 JVM으로 실행하는 과정 이해하기.

📌 학습할 것

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

✔️  메소드, 클래스

클래스

: 자바의 가장 작은 단위 메소드의 소속

⇒ 상태 (state) 와 행동 (behavior)

• 상태 : 클래스의 특성을 결정짓는 것 ex. variable (변수)
• 행동 : 메소드

메소드

: 어떤 값을 주고 결과를 넣어주는 것

  ✔️ JVM (Java Virtual Machine)

 

: 자바의 가상 머신 (스택 기반) / 자바 프로그램 실행 환경 만들어주는 소프트웨어

• .java 파일로 생성돼있는 소스코드를 Java Compiler를 통해 .class파일로 변환한 것을, 해당 OS와의 중재자 역할로 OS가 이해할수 있도록 .class ByteCode를 해석해주는 역할.
• 자바 장점 : Window/ Linux OS에 종속되지 않고 .java 파일만 생성해주면 어떤 운영체제에든 JVM을 통해 실행 가능.
• 한정된 메모리 효율에서 최대의 성능을 내기 위한 메모리 관리를 위해 자바 가상머신이 중요하다.

✔️ JVM 구성 요소

I. Class Loader

: 런타임 시점에 클래스를 로딩하게 해주며 클래스의 인스턴스를 생성하면 클래스 로드를 통해 메모리에 로드 - 클래스 파일을 로드하는데 사용하는 하위 시스템

 

Loading

• Bootstrap : JVM 실행 위한 핵심 클래스 로딩
• Extension : 자바의 확장 클래스들을 로딩
• Application : $CLASSPATH 안의 .class확장자 탐색하여 로딩

Linking

• Verify : class파일 유효성 확인
• Prepare : 메모리 준비 과정
• Resolve : symbolic memory reference를 실제 레퍼런스로 교체

Initialization(초기화)

• static 변수값 메모리 할당하고 static 블럭 실행/ 초기값 채우기

II. Execution Engine

: 런타임 데이터 영역에 할당된 바이트코드를 실행 / 바이트코드를 읽고 조각 별로 실행

• Interpreter : 바이트 코드를 명령어 단위로 실행하여 한줄씩 수행. 단점 : 느리다.
• JIT(Just in time) Compiler : Interpreter 보완; 네이티브 코드로 컴파일된 코드 캐시 보관하여 실행
• Garbage Collector : 동적으로 할당된 메모리중 사용하지 않는 메모리 반환 - 자동 메모리 관리

III. Runtime Data Area

Method Area : 메타데이터, 상수런타임풀, 메서드에 대한 코드와 같은 클래스 구조 저장. (다른 스레드에서도 활용 가능한) 공유자원.

Heap : 모든 개체, 관련 인스턴스 변수 및 배열은 힙에 저장 (메모리는 여러 스레드에 걸쳐 공유)

Java Thread (Stack) : 로컬 변수를 저장하는 부분적인 결과

• 스레드에는 자체 JVM 스택 존재, 스레드가 생성될때 동시에 생성

• 메서드 호출시, 새 프레임 생성, 메서드 호출 프로세스가 완료되면 삭제

• 스택은 공유 X/ 스레드 세이프하다.

• 내부 : local variable array, operand stack, frame data 영역 존재

Program Counter Register : 현재 실행중인 Java가상 시스템 명령의 주소 저장

• 각 스레드에 별도의 PC 레지스터 존재

Native Internal Thread (Stack) : 네이티브 라이버리에 따라 네이티브 코드 명령 보관 / 자바가 아닌 다른언어로 쓰여있음.

 

IV. Native Method Interface : 프로그래밍 프레임워크

• JVM에서 실행 중인 Java코드가 라이버리 및 네이티브 어플리케이션으로 호출 가능

V. Native Method Libraries : 실행 엔진에 필요한 라이버리 (C, C++) 의 모음

✔️ 컴파일 하는 방법

javac fileName.java

⭐  javac.exe : 자바 소스코드를 컴파일 할때 사용하는 프로그램이며

⭐  java.exe: 컴파일된 바이트코드를 실행할 때 사용.

 

소스코드(.java) —> Compiler -(bytecode: .class 변환) -> Disk -(bytecode)-> `JVM` -(기계어) -> OS

✔️ 자바 프로그램 실행 과정

1. 프로그램 실행
2. JVM이 OS로 부터 메모리를 할당 받고, 용도에 따라 나누어 관리
3. 자바 컴파일러(javac)가 소스 코드(.java)를 읽어 바이트 코드로 변환(.class)
4. JVM의 Class Loader가 변환된 파일(*.class)들을 로드
5. Execution engine(실행 엔진) 은 로딩된 class 파일을 해석
6. 해석된 파일들은 Runtime Data Area(할당 메모리)에 배치되고 실질적 수행이 이루어짐

✔️ 바이트코드(.class) 란 무엇인가

• 운영체제에 맞는 완벽한 기계어가 아닌 중간기계어
• 이 바이트코드를 실행하기 위해 JVM 필요
• 자바 컴파일로 변환되는 코드의 형태

⭐ Java Compiler

: .java파일로 생성돼있는 소스코드를 이진수로 구성되어있는 .class 라는 Java Byte Code로 변환 시켜줌.

 

기계어 : 컴퓨터가 이해할 수있는 0과 1로 이루어진 바이너리 코드

• 바이너리코드 ≠ 기계어

✔️ JIT 컴파일러란 무엇이며 어떻게 동작 하는가?

: 처음 자바는 Interpreter방식으로 모든 코드를 컴파일 하였고 그때문에 속도가 느리다는 평가를 받았다.

JIT(Just in Time) 컴파일러는 하드웨어의 발전으로 native 코드로 직접 실행하는 방식으로 CPU + OS (기계)가 직접 읽고 수행하는 방식이다.

• 네이티브 캐쉬에 한번 컴파일된 코드를 보관하기 때문에 같은 코드 반복시, 매번 기계어 코드를 새로 생성하는 방식이 아닌 이전에 만든 기계어를 재사용함으로써 속도를 빠르게 했다.
• 운영체제에 맞게 byte 실행 코드를 한번에 변환하여 실행하여 이전 Java Interpreter방식보다 성능이 10-20배 증가했다고 한다.

⭐ Interpreter or JIT Compiler

무조건 JIT Comipler방식이 옳은건 아니다...

 

: 한번만 실행되는 코드라면 Interpreter!

메소드의 반복 수행이 일정 정도를 넘는다면 JIT Compiler!

 

🤵🏻 Interpreter 이 그냥 커피라면 JIT는 TOP야

✔️ JDK와 JRE의 차이

JDK (Java Development Kit)

: 자바 프로그래밍 도구

• 개발을 위한 도구 (javac, java)
• JDK 다운시, JRE도 함께 설치 ; JDK = JRE + @

오픈소스 연동에 더 풍부한/최적화된 기능을 빠르게 구현하는 강점

- 기본 기능 제공 클래스 /자료구조 / 네트워크 / 입출력 / 예외처리 / Algorithm Library 제공

 

JRE (Java Runtime Environment)

: 컴파일된 자바 프로그램 실행하는 자바 실행 환경 - 해당 OS에 맞는 환경 설치

• JVM이 자바 프로그램 동작시킬때 필요한 라이버리 / 실행 환경 구현

▶️ 참고 사진

📍presentation 자료 : 

docs.google.com/presentation/d/1zvh5k-1JonEi_s6Z8s_vqF8vs59dAwojghnuk6evqaA/edit