JVM이란 무엇인가?

1. JVM은 무엇이며 자바 코드는 어떻게 실행하는 것인가.

JVM이란 무엇인가?

• Java Virtual Machine: 자바 가상 머신
• 자바 프로그램을 실행하기 위해 물리적 머신과 유사한 머신을 소프트웨어로 구현 한 것
  • 이를 통해 Write Once Run Anywhere를 만들어줌
• 자바 애플리케이션을 클래스 로더를 통해 읽어 들여 자바 API와 함께 실행하는 것
• JAVA와 OS의 중개자 역할을 수행
  • JAVA가 OS에 구애받지 않고 재사용 가능하게 한다.
• 메모리 관리와 Garbage Collector기능을 수행한다.
• 스택 기반의 가상 머신

왜 알아야 하는가?

• 한정된 메모리에서 최고의 성능을 내기 위해서
  • 메모리의 효율을 위해 메모리 구조를 알아야 한다.
• 알아두면 좋다를 넘어 알아야 함

컴파일 하는 방법

컴파일 방법을 알아보기 이전에, Java 프로그램이 실행되는 과정을 먼저 알아 본다.

Java 프로그램 실행 과정

1. 프로그램이 실행되면 JVM은 OS로 부터 메모리를 할당 받는다.
   • JVM은 이 메모리를 용도에 따라 여러 영역으로 관리한다.
2. 자바 컴파일러(javac)가 자바 코드(.java)를 읽어들여 자바 바이트 코드(.class)로 변환시킨다.
3. Class Loader를 통해 class파일들을 JVM에 로딩한다.
4. 로딩 된 class 파일들은 Execution Engine을 통해 해석된다.
5. 해석된 바이트 코드는 Runtime Data Areas에 배치되어 실질적인 수행이 이뤄진다.

컴파일 하는 방법

• 위 과정 중 2번에 해당되는 과정을 컴파일이라고 한다.
• 즉 JDK를 이용해 Java 파일을 Class 파일로 변환시키는 일련의 작업
• 우선 Hello PandaHun이라는 출력을 하는 Java 파일을 한개 만들고 시작한다.

$ javac Compile.java

• javac명령어를 통해 java 파일을 컴파일 할 수 있다.

• 이렇게 생긴 .class 파일을 바이트 코드라고 한다.

실행하는 방법

• 위에서 만들어진 class 파일을 실행하는 방법을 알아보자
• 컴파일(compile)은 javac 명령어를 사용했고 실행은 java 명령어를 사용한다

$ java Compile

• 이때 확장자는 표시하지 않는다

바이트코드란 무엇인가

• Java가 아닌 다른 언어에서는 컴파일은 프로그래밍 언어(고급언어)를 기계어로 바꾸는 역할을 수행한다.
• 하지만 Java에서 컴파일은 Java 코드를 Byte Code로 바꾸고 JVM이 Byte 코드를 기계어로 바꿔준다.
• 위키백과에서는 아래처럼 정의한다.
  • 특정 하드웨어가 아닌 가상 컴퓨터에서 돌아가는 실행 프로그램을 위한 이진 표현법이다. 하드웨어가 아닌 소프트웨어에 의해 처리되기 때문에, 보통 기계어보다 더 추상적이다.
• JVM이 이해할 수 있고 JRE(Java Runtime Environment)에서 실행하기 위한 최적화된 코드의 집합이다.
• 각 OS에 맞는 JVM이 존재해 개발자는 Java Code를 작성하고, 바이트 코드로 바꿔줄 수 있다면, 그 이후는 JVM이 담당해 OS에 독립적이게 도와준다.

JIT 컴파일러란 무엇이며 어떻게 동작하는지

• JIT: Just In Time ⇒ 실시간
• 프로그램이 실제로 실행하는 시점에 기계어로 번역해주는 컴파일러
• 위의 그림에서 보듯 JRE 내에 존재하고 있다.
• 일반적으로 인터프리터 방식과 정적 컴파일 방식으로 나뉘는 기계어 번역
  • 인터프리터: 바이트 코드를 한줄씩 번역하면서 코드를 실행함.
    • 동일한 메소드도 계속해서 번역하는 비효율 발생
• JIT는 이를 방지하고자 번역한 내용을 캐싱해두고 다시 사용될 때 번역하지 않고 캐싱된 결과를 사용한다

JVM 구성 요소

Class Loader

• JVM 내로 class 파일을 로딩하고, 링크를 통해 배치 작업을 수행하는 모듈
• Runtime시에 동적으로 class를 로드한다.
• jar파일 내의 저장된 클래스를 JVM 위에 탑재하고, 사용하지 않는 클래스를 삭제한다.
• 컴파일러의 역할 수행
  • 동적코드를 컴파일 시가 아닌 런타임 시에 참조한다.

Execution Engine

• 클래스를 실행시키는 역할
• 자바 바이트 코드는 기계보다는 사람을 위한 코드
• 실행 엔진은 이 코드를 JVM 내부에서 기계가 실행할 수 있는 형태로 변경한다.
  • Interpreter
    • 자바 바이트 코드를 명령어 단위로 읽어서 실행한다.
    • 한 줄 씩 수행하기 때문에 느리다
  • JIT(Just In Time)
    • 인터프리터의 단점을 보완하기 위해
    • 인터프리터 방식으로 실행하다가 적절한 시점에 바이트 코드 전체를 컴파일 해 네이티브 코드로 변경
      • 이후 인터프리팅하지 않고 네이티브 코드로 직접 실행한다.
    • 만약 한번만 실행되는 코드라면 JIT보다는 인터프리터 방식이 더 유용
    • 따라서 JVM은 메서드가 얼마나 자주 실행되는 지를 체크해 일정 수준 이상일 때만 수행한다.
  • Garbage Collector

Runtime Data Area

1. PC Registrer
   • Thread가 실행될 때 생성, 생성할 때마다 생성되는 공간으로 Thread마다 하나씩 존재
   • 현재 수행 중인 JVM 명령의 주소를 갖는다.
2. JVM 스택 영역
   • 프로그램 실행 과정에서 임시로 할당 되었다가, 메서드가 종료되면 바로 소멸되는 특성의 데이터를 저장하는 영역
   • 변수, 임시 데이터, 메서드 등의 정보를 저장
   • 메서드 호출 시 마다 각각의 스택 프레임을 생성하고, 수행이 끝나면 프레임 별로 삭제한다.
3. Native Method Stack
   • 바이트 코드가 아닌 실제로 실행 할 수 있는 기계어로 작성된 프로그램을 실행시키는 영역
   • Java가 아닌 다른 언어로 작성된 코드를 위한 공간
   • Java Native Interface를 통해 바이트 코드로 전환해 저장하게 된다.
   • 커널이 스택을 잡아 독자적으로 프로그램을 실행시키는 영역
4. Method Area(=Class Area = static Class)
   • 클래스 정보를 처음 메모리 공간에 올릴 때 초기화 되는 대상을 저장하기 위한 메모리 공간
   • 올라가는 메서드의 바이트 코드는 프로그램의 흐름을 구성하는 바이트 코드
   • Runtime Constant Pool이라는 별도의 관리 영역
     • 상수 자료형을 저장하고, 참조하고, 중복을 막는 역할 수행
5. Heap 영역
   • 객체를 저장하는 가상 메모리 공간
   • new 연산으로 생성된 객체와 배열을 저장한다.
   • class area에 올라온 클래스들만 객체로 생성할 수 있다.

• Permanent Genration
  • 생성된 객체들의 주소가 저장된 공간
  • Class loader에 의해 로드되는 클래스, 메서드 등의 Meta 정보가 저장되는 영역이고, JVM에 의해 사용된다
• New/Young
  • Eden: 객체가 최초로 생성되는 공간
  • Survivor 0/1: Eden에서 참조되는 객체들이 저장되는 공간
• Old 영역
  • Survivor 영역에서 살아남아 오랫동안 참조 되었고 앞으로도 사용 확률이 높은 객체를 저장하는 영역

JDK와 JRE

• JDK = Java Development Kit
  • Java 응용 프로그램 및 개발에 필요한 소프트웨어 개발 환경
  • 안에 JRE, Java, Compiler 등 필요한 툴이 들어있다.
• JRD = Java Runtime Environment
  • Java 응용 프로그램이 돌아가기 위한 최소한의 환경을 제공한다.
  • JVM, 코어 클래스 및 지원 파일이 들어가있다.