JVM은 무엇이며 자바 코드는 어떻게 실행하는 것인가.

목표

  • 자바 소스 파일(.java)을 JVM으로 실행하는 과정 이해하기.

학습할 내용

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

JVM이란 무엇인가

  • JAVA Virtual Machine의 약자로, 자바 바이트코드를 실행할 수 있는 주체

  • 자바 바이트 코드(.class) 파일을 OS에 특화된 코드로 변환(인터프리터와 JIT 컴파일러)하여 실행

  • JVM 특성
    • JAVA와 OS 사이에서 중개자 역할
      • OS에 구애받지 않고 사용 가능
    • Stack 기반의 가상머신
      • 데이터 흐름 분석(data flow analysis)에 기반한 자바 바이트코드 검증기(verifier)를 통해 Stack overflow 등이 발생한다.
      • 명령어 피연산자의 타입 규칙 위반, 필드 접근 규칙 위반, 지역 변수의 초기화 전 사용 등 많은 문제를 실행 전에 검증하여 실행 시 안전을 보장하고 별도의 부담을 줄여줌
    • 메모리관리, Garbage Collection을 수행
  • 자바 프로그램 실행 과정
    • 프로그램이 실행되면 JVM은 OS로부터 메모리를 할당 받는다.
      • JVM은 이 메모리를 용도에 따라 여러 영역으로 나누어 관리
    • 자바 컴파일러(javac)가 자바 소스 코드(.java)를 읽어들여 자바 바이트코드(.class)로 변환
    • class loader를 통해 class파일들을 JVM으로 로딩
    • 로딩된 class 파일들은 execution engine을 통해 해석
    • 해석된 바이트코드는 Runtime Data Areas 에 배치되어 실질적인 수행이 이뤄진다.
    • 이러한 실행 과정 속에서 JVM은 필요에 따라 Thread Synchonization과 GC같은 관리 작업 수행
  • 출처:
    • JVM: 위키백과, https://asfirstalways.tistory.com/158

컴파일/실행 하는 방법

$ javac /src/.../file.java
$ java file
  • javac : 컴파일러 실행, JDK 안에 존재

  • java: 클래스 파일 실행, JRE 안에 존재

  • 만약 JAVA 1.11 버전으로 컴파일 한 클래스 파일을 JAVA 1.8로 실행한다면 ? 실패… UnsupportedClassVersionError 발생
  • 만약 JAVA 1.8로 컴파일 한 클래스 파일을 1.11로 실행한다면 ? 가능!!
  • 그래서 컴파일러 옵션이 존재한다.

바이트코드란 무엇인가

  • 자바 바이트코드는 JVM이 실행하는 명령어의 형태
  • 각각의 바이트코드는 1바이트로 구성되지만 몇 개의 파라미터가 사용되는 경우가 있어 총 몇 바이트로 구성되는 경우가 있다.
  • 역컴파일러 / 디컴파일러
    • 컴파일러는 기계어(비트 단위)가 아닌 중간 단계인 바이트 코드 형태로 변환
    • 역컴파일러 / 디컴파일러는 실행코드에서 소스코드를 역으로 추출
  • 예시
    • 자바 코드 
      for (int i = 2; i < 1000; i++) {
    for (int j = 2; j < i; j++) {
        if (i % j == 0)
            continue outer;
    }
    System.out.println (i);
}
    • 바이트코드 
      0:   iconst_2
1:   istore_1
2:   iload_1
3:   sipush  1000
6:   if_icmpge       44
9:   iconst_2
10:  istore_2
11:  iload_2
12:  iload_1
13:  if_icmpge       31
16:  iload_1
17:  iload_2
18:  irem
19:  ifne    25
22:  goto    38
25:  iinc    2, 1
28:  goto    11
31:  getstatic       #84; // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
34:  iload_1
35:  invokevirtual   #85; // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
38:  iinc    1, 1
41:  goto    2
44:  return

JIT 컴파일러란 무엇이며 어떻게 동작하는지

  • JIT 컴파일러
    • Just-in time compiler 또는 동적 번역(dynamic translation)은 프로그램을 실행하는 시점에 기계어로 번역하는 컴파일 기법
    • 정적 컴파일러 vs Interpreter
      • 인터프리터 방식은 실행 중 프로그래밍 언어를 읽어가면서 해당 기능에 대응하는 기계어 코드를 실행한다.
      • 정적 컴파일러는 실행하기 전에 프로그램 코드를 기계어로 번역한다.
      • JIT 컴파일러는 두가지 방식을 혼합한 방식으로 생각할 수 있다
        • 실행 시점에서 인터프리트 방식으로 기계어 코드를 생성하면서 그 코드를 캐싱하여, 같은 함수가 반복 호출될 때 매번 기계어 코드를 생성하는 것을 방지한다.\
    • JIT 컴파일러는 JRE안에 있다.
  • 동작
    • HelloWorld.java 소스코드를 작성한 후 컴파일러로 바이트코드 변환(java -> class: 컴파일러)
    • JVM에서 각 운영 체제에 맞는 기계어로 번역해 전달
  • 출처: 위키백과

JVM 구성 요소

  • Class Loader, Execution Engine, Runtime Data Area(memory), Native로 구성된다.

  • Class Loader
    • .class 에서 바이트코드를 읽고 메모리에 저장
    • 로딩, 링크, 초기화 순서로 진행된다.
      • 로딩
        • 클래스를 읽어오는 과정
        • 클래스 로더가 바이트코드를 읽고 그 내용에 따라 적절한 바이너리 데이터(기계어)를 만들어 Method영역(메모리)에 저장한다.
        • Method영역에 저장되는 것
          • Full Qualified Class Name (ex. org.springframework.boot.SpringApplication)
          • 클래스, 인터페이스, Enum
          • 메서드와 변수
        • 저장이 끝나면, 해당 Class의 Class 객체를 만들어 힙 영역에 저장한다.
      • 링크: Verify, Prepare, Resolve 세 단계로 나눠진다.
        • 레퍼런스를 연결하는 과정
        • verify(검증): 혹시 모를 수정에 대비하여 클래스 파일 형식이 유효한지 체크
        • prepare(준비): 클래스 변수와 기본값에 필요한 메모리 준비
        • resolve(해결): symbolic memory reference를 메서드 영역에 있는 실제 레퍼런스로 교체
          • symbolic reference: 실제 레퍼런스를 가리키고 있지 않은 상태, 논리적인 레퍼런스이다.
      • 초기화
        • static 값들 초기화 및 변수에 할당
        • static 변수의 값을 할당, static 블럭은 이 때 실행된다.
    • 클래스 파일을 적재하는 역할을 한다. 즉, 컴파일러로 바이트코드를 생성하면 해당 바이트코드를 클래스 로더가 메모리에 적재한다.
    • 기본적인 세가지 클래스 로더가 제공
      • Bootstrap ClassLoader: JAVA_HOME\lib에 있는 코어 자바 API를 제공, 최상위 우선순위를 가진 클래스 로더, Native로 구현됨
      • Platform ClassLoader: JAVA_HOME\lib\ext 폴더 또는 java.ext.dirs 시스템 변수에 해당하는 위치에 있는 클래스를 읽는다.
      • Application ClassLoader: Application ClassPath, 즉, 애플리케이션 실행할 때 주는 -classpath 또는 java.class.path 환경 변수의 값에 해당하는 위치에서 클래스를 읽는다.
      • 로딩 순서
        • Bootstrap ClassLoader -> Platform ClassLoader -> Application ClassLoader 순서로 찾는다.
        • 상위 ClassLoader에 없는 경우 하위 ClassLoader를 찾게 되며 보통 90% Application ClassLoader에 있다.
        • 찾지 못하는 경우 ClassNotFoundException이 발생한다.
  • Execution Engine
    • Class Loader에 의해 Runtime Data Area에 적재된 클래스(바이트코드)들을 컴퓨터가 이해할 수 있는 기계어로 변경해 명령어 단위로 실행하는 역할
    • JIT Compiler
      • 인터프리터 효율을 높이기 위해, 인터프리터가 반복되는 코드를 발견하면 JIT 컴파일러로 반복되는 모두 네이티브 코드로 바꿔둔다.
      • 그 다음부터 인터프리터는 네이티브 코드로 컴파일된 코드를 바로 사용한다.
    • GC(Garbage Collector): 더 이상 참조하지 않는 객체를 모아서 정리
      • 힙 영역에 생성된 객체들 중 참조되지 않는 객체들을 메모리에서 제거하는 역할
      • GC가 사용되는 동안에는 GC에 스레드가 아닌 다른 모든 스레드는 일시정지된다.
  • Runtime Data Area(메모리 영역)
    • 메모리 영역에는 클래스 수준의 정보 (클래스 이름, 부모 클래스 이름, 메서드, 변수) 저장, 공유 자원이다.
    • Method(static) 영역
      • JVM에서 읽어들인 클래스와 인터페이스에 대한 런타임 상수 풀, 메서드와 필드, static 변수, 메서드 바이트 코드 등을 보관
    • Runtime Constant Pool 영역
      • Method 영역에 포함되지만 독자적 중요성을 띈다.
      • 클래스 파일, constant_pool 테이블에 해당하는 영역으로 클래스와 인터페이스 상서, 메서드와 필드에 대한 모든 레퍼런스를 저장
      • JVM은 런타임 상수 풀을 통해 해당 메서드나 필드의 실제 메모리 상 주소를 찾아 참조한다.
    • Heap Area
      • 프로그램 상에서 데이터를 저장하기 위해 런타임 시 동적으로 할당하여 사용하는 메모리 영역
      • new 연산자를 통해 생성한 객체 또는 인스턴스와 배열 저장
      • JVM이 관리
    • Mehtod 영역, Runtime Constant Pool 영역은 JVM 시작 시 생성하여 프로그램 종료 시까지 유지되며 명시적으로 null 선언 시 GC 대상이 된다.
    • Heap 영역은 객체가 더 이상 쓰지 않거나, null 선언 시 GC 대상이 된다.
    • Mehtod 영역, Runtime Constant Pool 영역, Heap 영역은 모든 스레드에서 공유한다.
    • Stack 영역
      • FILO 구조
      • 메서드 호출 시 생성되는 스레드 수행 정보를 기록하는 frame 저장, 메서드 정보, 지역변수, 매개변수, 연산 중 발생하는 임시 데이터 저장
      • 사용 기간은 블록 또는 메서드가 끝날 때까지 유지된다.
    • PC Register
      • 현재 실행 중인 JVM 주소를 가지고 있다.
    • Native Method Stack Area
      • Native code를 위한 메모리(C/C++ 코드 수행)
  • JNI(Java Native Interface)
    • 자바 애플리케이션에서 C, C++, 어셈블리로 작성된 함수를 사용할 수 있는 방법 제공
    • Native 키워드를 사용한 메서드 호출
  • 네이티브 메소드 라이브러리
    • C, C++로 작성된

JDK와 JRE의 차이

  • JDK
    • Java Development Kit로 JRE + Development Kit(개발에 필요한 툴)로 이루어져 있다.
    • 소스 코드를 작성할 때 사용하는 자바 언어는 플랫폼에 독립적
    • 오라클은 자바 11부터 JDK 만 제공하며 JRE를 따로 제공하고 있지 않다.
  • JRE
    • Java Runtime Environment의 약자로 JVM + library로 이루어져 있다
    • 자바 애플리케이션을 실행할 수 있도록 구성한 배포판
    • JVM과 핵심 라이브러리 및 자바 런타임 환경에서 사용하는 프로퍼티 세팅이나 리소스 파일을 가지고 있다.
    • 개발 관련 도구는 포함하지 않는다(JDK에서 제공)
  • JVM, JRE, JDK 출처: https://medium.com/webeveloper/jvm-java-virtual-machine-architecture-94b914e93d86
  • 백기선님 인프런 강좌 [더 자바, 코드를 조작하는 방법] 참고