JVM과 Java 코드 실행원리

• Java Virtual Machine(JVM)
• Compile과 실행
• 바이트코드
• JIT 컴파일러
• JVM 구성 요소
  • Class Loader
  • JVM Memory
  • Execution Engine(실행 엔진)
• JDK, JRE
• 참고자료
• 각주

백기선님의 스터디 과정을 따라 Java 기초 다지기

Java Virtual Machine(JVM)

JVM(Java Virtual Machine)은 컴퓨터에서 Java 프로그램은 물론 Java 바이트코드로 컴파일되는 다른 언어로 작성된 프로그램을 실행할 수 있게 해주는 가상 시스템이다. ¹

• Write once, run anywhere, 1995년 썬 마이크로시스템즈가 만든 Java의 표어로 JVM을 통해 OS나 컴퓨터 장비에 구애받지 않고 사용할 수 있는 이유이다.
• JVM은 OS위에서 작동하여 java 프로그램과 OS 사이의 중계자 역할을 하게되어 OS에 의존하지않고 실행할 수 있다.

Compile과 실행

• JVM은 고급 언어로 작성된 소스코드(.java)를 바이트코드(.class)로 변환하는데 크게 다음과 같은 과정을 거친다.
  • 어휘 분석 : public, class(키워드), "Hello World"(리터럴), +(연산자)를 수집하여 모인 어휘소를 하나의 Stream으로 만든다.(Token stream)
  • 구문(Syntax) 분석 : 어휘 분석을 통해 얻은 Token stream이 Java 문법에 맞는지 확인한다.
  • 의미 분석 : 타입 검사 및 타입 변환을 진행한다.
  • 중간코드 생성 : 구문 분석과 의미분석을 마치면 중간 코드(바이트코드)를 생성한다.
• 생성이 끝나면, 바이트 코드를 JIT 컴파일러가 CPU가 해독할 수 있는 bit 단위로 쓰인 컴퓨터 언어로 만든다.

바이트코드

VM(가상 머신)이 이해할 수 있는 언어로 변환된 코드로 코드의 명령어 크기가 1byte이기 때문에 바이트 코드라고 불린다.

• JVM은 바이트 코드를 읽어 컴퓨터가 이해할 수 있는 언어로 변환한다.
• JVM 기반 언어인 Ruby, Scala, Kotlin 등 언어도 실행 전, Complie time에서 바이트 코드로 번역되는 과정을 가진다.

JIT 컴파일러

프로그램을 실제 실행하는 시점에 기계어로 번역하는 컴파일 기법

• Java는 Complie과 Interpeter 방식 모두 사용한다.
• 기계어로 변환된 코드를 캐싱하여 재사용시 컴파일을 하지 않도록 한다.
• Runtime에 바이트 코드를 기계어로 변환하는 컴파일을 하여 이미 캐시에 있는 기계어는 변환하지 않도 다시 사용하지 않는 컴파일 방식이다.
• 이 때, 캐시 공간은 작기 때문에 JVM은 내부에서 자주 수행되는 코드를 선별한다.
  • JIT 컴파일러는 C1, C2 컴파일러로 나뉜다.
  • C1 컴파일러는 Runtime에 바이트 코드를 기계어로 변환하는 과정만을 수행한다.
  • C2 컴파일러는 기계어 변환 후 캐시에 저장하는 과정을 수행한다.

JVM 구성 요소

Class Loader

Class Lodaer는 JRE의 일부로 Runtime에 class를 동적ㅇ로 JVM에 로드한다.

• Loading : .class(바이트코드)를 읽고, 내용에 따라 바이너레 데이터를 만들고 메서드 영역에 저장
• Linking
  • Verifying : JVM에서 사용이 가능한 형태인지 검증
  • Preparation : Type이 필요로 하는 Memory 할당
  • Resolving : 심볼릭한(명확하게 정의되지 않은) 메모리 참조를 메서드 영역에 있는 타입으로 직접 참조
• Initialization : Static 변수의 값 할당 및 SuperClass 초기화 후 class 초기화 진행

JVM Memory

• Method Area : 모든 class 수준(class 명, superlcass, method, variable)의 데이터가 저장된다.
• Heap Area : 모든 인스턴스 Object(class, array)가 저장되는 공간으로 MultiThread에서 접근이 가능한 공유 자원이다.
• Stack Area : 각 Thread마다 개별 Stack 영역이 존재한다. Method가 호출될 때 마다 Stack에 Stack frame이라는 memory에 쌓인다.
• PC Register : 각 Thread마다 개별적으로 현재 실행중인 명령문의 address를 가진다.
• Native Method Stack : native 메서드 정보를 가진 Stack

Execution Engine(실행 엔진)

Class Lodaer를 통해 Runtime data 영역에 할당된 byte code를 실행한다.

상단에서 설명한 인터프리터와 JIT 컴파일러가 이에 해당한다.

JDK, JRE

• JDK : Java Devlopement Kit
  • JDK는 자바 애플리케이션을 개발하기 위한 환경을 지원한다.
  • JRE를 포함할 뿐만 아니라 컴파일러(javac), javadoc, jar 등 개발에 필요한 도구들을 포함하고 있다.
• JRE : Java Runtime Environment로 JRE는 자바 실행환경(Java Runtime Environment)의 약자이다.
  • JVM 뿐만 아니라 Java binaries, Java 클래스 라이브러리 등을 포함하고 있어 Java 프로그램 실행을 지원한다.
  • 컴파일러나 디버거(Debugger) 등의 도구는 포함하지 않는다. 따라서 자바 프로그램을 개발하는 것이 아니라 실행하기만 원한다면 JRE를 설치한다.

참고자료

• https://docs.oracle.com/en/java/javase/11/gctuning/introduction-garbage-collection-tuning.html - GC 튜닝 가이드
• https://d2.naver.com/helloworld/1230 - naver d2, JVM Internal
• https://docs.oracgle.com/javase/specs/jvms/se8/html/jvms-5.html - class loader

각주