Live Study - Java JVM 에 대해

JVM, Java Virtual Machine

• JVM 이란 Java Virtual Machine 의 약자를 따서 줄여 부르는 용어이다.
• JVM 은 자바 바이트코드를 실행할 수 있는 주체이다.
• 자바 바이트코드는 플랫폼에 독립적이며 모든 자바 가상 머신은 자바 가상 머신 규격에 정의된 대로 자바 바이트코드를 실행한다.
• 표준 자바 API까지 동일한 동작을 하도록 구현한 상태에서는 이론적으로 모든 자바 프로그램은 CPU, 운영체제의 종류와 무관하게 동일하게 동작할 것을 보장한다.

Virtual Machine, 가상 머신은 컴퓨팅 환경을 소프트웨어로 구현한 것이다. 컴퓨터 안의 컴퓨터라고 생각하면 쉽다. 가상 머신에 OS, Application을 설치 & 실행할 수 있다.

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바이트코드

단순히 자바에서만 바이트코드를 사용하는게 아니다. 다른 여러 언어, 환경에서도 바이트코드를 사용하고 있다. 위키를 참조해보니 리스프의 특정 구현체, 마이크로소프트의 CIL, 이맥스, 루아 등이 예이다.

개념

• 바이트코드(Byte Code, Portable Code, P - Code)는 특정 하드웨어가 아닌 가상 컴퓨터에서 돌아가는 실행 프로그램을 위한 이진 표현법이다.
• 바이트코드는 특정 하드웨어에 대한 의존성을 줄이고, 인터프리팅도 쉬운 결과물을 생성하고자 하는 프로그래밍 언어에 의해 출력 코드의 한 형태로 사용된다. 컴파일 된 바이트코드는 특정 하드웨어의 기계 코드를 만드는 컴파일러의 입력으로 사용되거나, 가상 컴퓨터에서 바로 실행된다.
• 소프트웨어에 의해 처리되기 때문에 보통 기계어보다 더 추상적이다.
• 바이트코드는 대부분의 명령 집합이 0개 이상의 매개 변수를 갖는 1바이트 크기의 명령 코드였기 때문에 바이트코드라고 불리게 되었다고 한다.

바이트코드의 실행

• 바이트코드 프로그램은 보통 인터프리터가 한 번에 하나의 명령어를 읽은 후에 실행한다. 이러한 형태의 바이트코드 인터프리터는 높은 이식성을 갖는다.
• 다른 형태로서 JIT (Just In Time, JIT) 컴파일러라 불리는 시스템은 실행 중에 필요에 따라 바이트코드를 기계어로 번역한다. 이 방법은 가상 컴퓨터의 이식성을 없애지만, 바이트코드 자체에 대한 이식성을 잃지는 않는다.

자바의 바이트코드는?

• 자바 바이트코드는 JVM이 실행하는 명령어의 형태이다.
• 각각의 바이트코드는 1바이트로 구성되지만, 몇 개의 파라미터가 사용되는 경우가 있어서 1바이트 이상으로 구성되는 경우도 있다.

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JIT, Just In Time 컴파일러

• JIT 컴파일 또는 동적 번역은 프로그램을 실제 실행하는 시점에 기계어로 번역하는 컴파일 기법이다.
• 프로그램을 실행하면서 원시코드를 한 번에 한 줄 씩 읽어서 실행하는 인터프리터, 프로그램 실행 전에 모든 원시 코드를 기계어로 번역해 실행하는 정적 컴파일 방식 중간쯤에 위치하는 방법이다.
• JIT 컴파일 방식은 인터프리터 방식의 언어 구현들의 성능 향상을 목적으로 도입하는 경우가 많다. 매번 같은 코드를 해석하는 대신 처음 실행될 땐 인터프리트를 하면서 자주 쓰이는 코드를 캐싱하고, 이후에는 캐싱된 코드를 가져다 쓰면서 인터프리터의 느린 실행 속도를 개선할 수 있다고 한다.
• JVM 은 바이트코드를 기계어로 번역할 때 JIT 컴파일러를 사용한다.
• JVM 은 내부적으로 어떤 코드가 자주 수행되는지 체크하고, 적절한 시점에 컴파일 한다고 한다.
• 자주 호출되지 않는 코드는 인터프리팅을 하고, 자주 호출되는 코드들은 매번 번역하기 보다 기계어로 번역해 캐싱하여 사용하는 방식이라고 정리할 수 있겠다.

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JVM의 구성요소

JVM은 크게 세 부분으로 나눌 수 있다. 클래스로더(Class Loader), 실행 엔진(Execution Engine), Runtime Data Area (JVM Memory)

 

# Class Loader, 클래스 로더

• 자바 클래스를 JVM으로 동적 로드한다. 프로그램 실행 중에 클래스를 로드하는 것이다.

• 클래스로더가 라이브러리를 위치시키고 내용물을 읽으면서 라이브러리들 안에 포함된 클래스들을 읽는 역할을 한다.

• 일반적으로 클래스들은 요청 시 한 차례만 로드된다. 즉, 프로그램에 의해 호출될 때까지 로드하지 않는다.

• 자바의 런타임 시스템은 클래스로더 때문에 파일과 파일 시스템에 대해 알 필요가 없다.

• 3개의 클래스 로더들이 있다.

  • 부트스트랩 클래스 로더 (<JAVA_HOME>/jre/lib)

  • 확장 클래스 로더((<JAVA_HOME>/jre/lib/ext, java.ext.dirs)

  • 시스템 클래스 로더 (java.class.path 에서 볼 수 있는 시스템 클래스 로더는 CLASSPATH 환경변수에 매핑된다)

• 자바 클래스 로더는 자바로 작성되어 있기 때문에 사용자 정의 클래스 로더를 작성하는 것이 가능하다. 모든 자바 클래스 로더는 부모 클래스 로더가 있고, 최상위 클래스 로더는 부트스트랩 클래스 로더이다.

• 클래스 로더가 클래스를 로드할 때, 다음과 같은 과정을 거친다

  1. 로드: 클래스를 파일에서 가져와 JVM 메모리에 로드한다.

  2. 검증: 읽어들은 클래스가 Java Spec 과 JVM Spec 에 명시된 대로 잘 구성되어 있는지 검사한다.

  3. 준비: 클래스가 필요로 하는 메모리를 할당한다. 클래스에서 정의된 필드, 메서드, 인터페이스들을 나타내는 데이터 구조를 준비한다.

  4. 분석: 클래스의 상수 풀 내의 모든 심볼릭 레퍼런스를 다이렉트 래퍼런스를 변경한다.

  5. 초기화: 클래스 변수들을 적절한 값으로 초기화한다.

 

# Runtime Data Area

• Runtime Data Area 는 JVM이 OS 위에서 실행되면서 할당받는 메모리 영역이다.

• Runtime Data Area 은 다음과 같이 Thread, Heap, Method Area 로 나뉘고 각 영역 내에서 더 상세히 나눌 수 있다.
  • Thread
    • PC Register
    • JVM Stack
    • Native Method Stack
  • Heap
  • Method Area
    • Runtime Constant Pool

• Thread 마다 PC Register, JVM Stack, Native Method Stack 이 생성된다.
• Heap, Method Area 는 모든 Thread 가 공유해서 사용한다.

 

Thread

PC Register

• PC Register 는 현재 수행 중인 JVM 명령의 주소를 가지고 있다.

JVM Stack

• Stack Frame 이라는 구조체를 저장하는 스택으로, JVM은 오직 JVM Stack에 Stack Frame 을 추가하고 제거하는 동작만 수행한다.

• 예외 발생 시 printStackTrace() 등의 메서드로 보여주는 Stack Trace의 각 라인은 하나의 Stack Frame 을 표현한다.

• Stack Frame 은 

  • JVM 내에서 메서드가 수행될 때마다 하나의 Stack Frame 이 생성되어 해당 Thead의 JVM Stack에 추가되고 메서드가 종료되면 제거된다.

  • Stack Frame은 지역변수배열, 피연산자 스택, 현재 실행 중인 메서드가 속한 클래스의 런타임 상수 풀에 대한 레퍼런스를 갖는다.

    • 지역변수배열

      • 0 부터 시작하는 인덱스를 가진 배열

      • 0 은 메서드가 속한 클래스 인스턴스의 this 레퍼런스

      • 1 부터는 메서드에 전달된 파라미터들

      • 메서드 파라미터 이후부턴 메서드의 지역변수들

    • 피연산자 스택

      • 메서드의 실제 작업 공간

      • 메서드는 피연산자 스택 <-> 지역변수배열 사이에서 데이터를 교환하고, 다른 메소드 호출 결과를 추가, 제거한다.

Native Method Stack

- 자바 외의 언어로 작성된 네이티브 코드를 위한 스택이다. 즉, JNI(Java Native Interface)를 통해 호출하는 C/C++ 등의 코드를 수행하기 위한 스택이다.

 

Heap

• 인스턴스나 객체를 저장하는 공간으로 가비지 컬렉션 대상이다.
• JVM 성능 등의 이슈에서 가장 많이 언급되는 공간이다.

 

Method Area

• 모든 Thead 가 공유하는 영역으로 JVM이 시작될 때 생성된다.
• 다음과 같은 정보를 보관한다.
  
  • 클래스와 인터페이스에 대한 Runtime Constant Pool
  • 필드와 메서드 정보
  • Static 변수
  • 메서드의 바이트코드

Runtime Constant Pool

• Method Area 에 포함되는 영역이지만, JVM 동작에서 가장 핵심적인 역할을 수행한다.
• 각 클래스와 인터페이스의 상수 뿐 아니라, 메서드와 필드에 대한 모든 레퍼런스까지 담고 있는 테이블이다.
• 즉, 어떤 메서드나 필드를 참조할 때 JVM은 Runtime Constant Pool 을 통해 실제 메모리 상의 주소를 찾는다.

 

# Execution Engine, 실행 엔진

• 클래스 로더를 통해 JVM 내에 Runtime Data Area 에 배치된 바이트코드는 실행 엔진에 의해 실행된다.

• 실행 엔진은 자바 바이트코드를 명령어 단위로 읽어서 실행한다.

• 실행 엔진은 바이트코드를 JVM 내부에서 기계가 실행할 수 있는 형태로 변경한다. 그 방식은 다음 두 가지가 있다.

  • 인터프리터

    • 바이트코드 명령어를 하나씩 읽어서 해석하고 실행한다.

    • 바이트코드를 하나씩 실행하기 때문에 해석은 빠르지만, 이 결과의 실행은 느리다는 단점이 있다.

  • JIT (Just In Time) 컴파일러

    • 인터프리터의 단점을 보완하기 위해 도입되었다.

    • 인터프리터 방식으로 실행하다가 적절한 시점에 바이트코드 전체를 컴파일한다.

    • 이후엔 더 이상 인터프리터 방식으로 실행하지 않고 네이티브 코드로 직접 실행한다.

    • 네이티브 코드는 캐싱하기 때문에 한번 컴파일된 코드는 계속 빠르게 수행될 수 있다.

    • JIT 컴파일러가 컴파일 하는 과정은 바이트코드를 하나씩 인터프리팅하는 것보다 훨씬 오래 걸리기 때문에 한번만 실행되는 코드라면 컴파일하지 않고 인터프리팅을 하는 것이 더 유리하다. 그렇기 때문에 JIT 컴파일러를 사용하는 JVM 은 내부적으로 해당 메서드의 호출 빈도 등을 체크해 적절한 시점에 컴파일을 수행한다.

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 Java 컴파일 하는 방법 & 실행하는 방법 

• 보통(거의 100%..)은 IDE 를 사용해 컴파일하고 실행하지만 다음은 터미널을 사용해 Java 를 컴파일하고 실행하는 방법을 정리해보려고 한다.
• JDK 를 설치하면 javac 와 java 가 함께 설치된다.
• javac 는 Java 코드를 컴바일하는 명령어다. javac 로 컴파일한 .class 파일을 java 명령어로 실행한다.

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

 

javac HelloJava.java ## HelloJava.class 생성
java HelloJava ## Hello, World!

• Java 14 로 작성한 java 코드를 Java 8 에서도 실행 가능하도록 하려고 하면 target 옵션을 사용해 컴파일 해야한다.

• --target <release>, -target <release>  Generate class files suitable for the specified Java SE release. Supported releases: 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14

javac --target 8 filename

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JDK와 JRE의 차이

• Java Runtime Environment, JRE 는 Java 프로그램을 실행 시킬 수 있는 환경이다. JRE 만 가지고는 자바 프로그램을 개발할 수는 없다.
• Java Development Kit, JDK 는 Java 프로그램을 개발, 실행하기 위한 도구 등이 모두 포함되어 있다.
• JDK 를 설치하면 JRE도 함께 설치된다.
• Java 9 부터 JRE는 따로 배포하지 않는다고 한다.

 

Reference

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

• https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%9E%90%EB%B0%94_%EB%B0%94%EC%9D%B4%ED%8A%B8%EC%BD%94%EB%93%9C

• https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%B0%94%EC%9D%B4%ED%8A%B8%EC%BD%94%EB%93%9C

• https://ko.wikipedia.org/wiki/JIT_%EC%BB%B4%ED%8C%8C%EC%9D%BC

• https://namu.wiki/w/JIT

• https://asfirstalways.tistory.com/158

• https://medium.com/@lazysoul/jvm-%EC%9D%B4%EB%9E%80-c142b01571f2

• https://d2.naver.com/helloworld/1230