JVM이란 무엇이며 자바코드는 어떻게 실행되는 것인가?

목표

학습할 것

• JVM 이란 무엇인가

• 컴파일 하는 방법

• 실행하는 방법

• 바이트코드란 무엇인가

• JIT 컴파일러란 무엇이며 어떻게 동작하는지

• JVM 구성요소

• JDK 와 JRE 의 차이

JVM 이란 무엇인가?

• JVM 이란 Java Virtual Machine 의 줄임말으로 추상적인 컴퓨터 머신이라고 이해하는게 좋지 않을까 싶다.

컴파일 하는 방법

• 컴파일은 JDK(java development kit) 에 있는 javac 를 이용해서 java byte code 파일로 컴파일 해주어야 한다. JVM 자체는 자바 파일을 실행시키는 것이 아니라 Java Byte Code 를 실행시켜주는 것이므로, 우리는 한 단계의 컴파일 과정을 일단 해주어야 한다.

javac Hello.java

• 위와 같은 명령어를 입력하면 Hello.class 파일이 생기게 된다. JVM 은 해당 파일을 실행시키게 된다.

• 바이트 코드를 조금 더 이해하기 쉽게 보려면 아래와 같은 명령어를 이용하면 된다.

javap -c Hello.class

• 이러면 조금 더 이해하기 쉬울 뿐더러 잘 이해는 가지 않지만 아래 링크를 보고 공부해볼 수 있다.

Chapter 6. The Java Virtual Machine Instruction Set

A Java Virtual Machine instruction consists of an opcode specifying the operation to be performed, followed by zero or more operands embodying values to be operated upon. This chapter gives details about the format of each Java Virtual Machine instruction and the operation it performs. The description of each instruction is always given in the context of Java Virtual Machine code that satisfies the static and structural constraints of §4.

https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se7/html/jvms-6.html

실행 하는 방법

• 아까도 말했듯이 실행은 class 파일이 존재해야만 실행이 가능하다.

• Hello.java 라는 파일을 실행시킨다고 했을때 Step 은 아래와 같다.

1. javac Hello.java
2. java Hello

• 뭐 만약에 외부 라이브러리의 경로를 지정해줘야한다면 classpath 를 이용해서 지정해줄 수도 있을 것이다.

• 뭐 만약 Package 가 있다면 실행할때 package 명을 입력해줘야 할것이다

java test.roach.Hello

바이트 코드란 무엇인가

• 자바 바이트 코드란, 우리가 작성한 자바 언어를 JVM 이 해석할 수 있는 언어로 번역한 것을 말하는 것 같다.

JIT 컴파일러란 무엇이며 어떻게 동작하는가

• 기존의 컴파일러는 컴파일 하는 과정에서 한줄 한줄씩 읽는다. 뭐 파이썬이나 보통의 스크립트 언어들이 이런 방식이 많다고 생각된다. 해당 방식은 한줄 한줄 읽어야 하기에 느릴 수 밖에 없다. 그래서 Java 는 JIT 이란 개념을 도입했는데, Just In Time 이라는 말처럼, 적절 한 시점 에서 바이트 코드를 전체를 컴파일하여 네이티브 코드로 변경하고 이후에는 네이티브 코드로 직접 실행한다. 중요한 점은 캐싱을 한다는 점인것 같은데, 처음에는 인터프리팅을 하다가 같은 함수가 여러 번 불릴 때 같은 코드를 생성하는것을 금지한다.

JVM 구성요소

ClassLoader

• Loading : BootStrap, Extension, Application 컴포넌트에 의해 클래스들이 로더 됩니다.
• BootStrap ClassLoader : jre 의 lib 폴더에 있는 rt.jar 파일을 탐색하여 기본 java API 라이브러리들을 로드합니다. 제일 최우선으로 로드됩니다.
• Extension ClassLoader : jre 의 lib 폴더에 있는 ext 폴더에 있는 모든 확장 코어 클래스 파일들을 로드합니다. BootStrap ClassLoader 의 자식이며 jdk 확장 디렉토리(java.ext.dirs)에서 로드 됩니다.
• Application ClassLoader : Extension ClassLoader 의 child 이며 어플리케이션 Level 의 클래스들을 로드합니다. 우리가 -cp , -classpath 등으로 입력한 파일들을 로드합니다.

• Linking
• verify : 바이트 코드 검증기는 자바 바이트 코드가 적절한지 아닌지에 대해서 검증하며 검증이 실패할 경우 검증 오류를 내보냅니다.
• prepare : 모든 정적변수의 메모리가 할당되며 기본 default 값으로 할당됩니다. (int 일 경우 0)
• resolve : 모든 심볼릭한 메모리 참조를 메소드 영역에 있는 타입으로 직접 참조 합니다.

• Initialization : Class Loading 의 마지막 단계로써 모든 정적 변수가 자바 코드에 명시된 값으로 초기화 되며 정적 블록이 실행됩니다.
• 이 부분에서 static block 에 관한 내용을 공부해도 좋다~!

Runtime Data Area

• Method Area
• 모든 클래스 수준의 데이터가 저장됩니다. 해당 영역의 데이터들을 공유될 수 있으며 JVM 당 하나의 영역밖에 존재하지 않습니다. 코드스쿼드 수업에서 들었을때는 짬통 영역같은 느낌이였는데, 이제 보통의 클래스 수준의 데이터들이 저장되서 그런 것 같다.

• Heap Area
• 힙 영역은 동적 영역으로 모든 인스턴스들이 저장되는 공간이다. Heap 공간도 Method Area 와 같은 공유 영역입니다. 힙 영역은 Eden, Survivor, Tenured, Perm 영역으로 구성되어 있다.
• Eden : Object 가 최초로 Heap 에 할당되는 장소입니다. 만일 Eden 영역이 가득 찰 경우, Object 의 참조를 확인하고 살아남은 Object 들을 Survivor 영역으로 옮긴다. 이름 한번 참 추상적으로 잘 지은것 같다. (Minor GC)
• Tenured : 새로 Heap 에 할당된 Object 가 들어오는 것이 아닌, Survivor 영역에서 GC 에게 당하지 않고 오랫동안 살아남아 앞으로도 사용될 확률이 높은 Object 들을 저장하는 영역이다. 이런 과정에서도 만약 Old Generation 의 영역이 충분치 않으면 GC 가 발생하는데 이를 Major GC 라고 한다.
• Perm : 보통 Class Mata 정보나 Method 의 Meta 정보, static 변수와 상수 정보들이 저장되는 공간으로 흔히 메타데이터 저장 영역으로 이동하였다. 뭐 자바 새로운 버전부터는 MetaSpace 라고 부르는 것 같다. 저번에 자바 바이트 코드를 공부하다가 constant pool 이라는 곳을 봤는데 그런것도 여기에 포함되어 있는 것 같다.

• Stack Area
• 스택 영역은 프로세스와 스레드 부분을 공부하다 보면 더욱더 와닿는 곳이 아닐까 싶다.
• 각각의 스레드 마다의 고유 영역을 가지는데 각 스레드의 고유 영역에는 Frame 이 생겨서 저장된다.
• 그래서 Frame 이 stack 을 넘치도록 저장될 경우 StackOverFlowError 가 발생한다. ㅋㅋ 우리가 자주 사용하는 싸이트..
• Frame
• Local Variables Array (Simply lva)
• 뭐 예를 들면 Test java 파일에 int a int b 두 변수가 있으면 해당 지역 변수들이 로컬변수 배열에 저장된다. 뭐 바이트 코드를 보다보면 lva 라는 것이 나오는데 local variable array 일것 같다. 뭐 여튼 그냥 primitive 파일들은 그냥 저장되지만, reference 들은 heap 영역을 reference 해야 하기에 다르게 저장되는 것 같다.
• 이러한 지역성(폐쇄성?) 뭐 여튼 이런것들 때문에 스레드 간의 서로 값을 확인할 수 없다.
• Operand Stack (Simply Os)
• 해당 영역은 메소드 내 계산을 위한 작업 공간이다.
• 뭐 이건 바이트 코드를 열어봤을때 iload 등등의 어질어질한 내용들이 있는데 뭐 간단히 얘기하면 해당 연산들의 작업 공간? 이라고 생각하면 된다.
• Frame Data (Simply FD)
• 뭐 여기는 Constant pool 과 같은 Symbolic Reference 나 normal method 들을 연관있거나 관련있는 메소드드로 리턴하여 저장하는 곳 같은데..? (이 내용은 틀릴 수도 있다.) 뭐 여하튼 아까 Linking 에서 resolve 된 애들을 저장한다는건가..? 좀 어렵다 나중에 더 깊게 공부해보자!
• PC Register
• JVM 은 CPU 에 직접 명령을 수행하지 않고, Stack 에서 Operand 를 뽑아내어 이를 별도의 메모리 공간에 저장하는 방식을 취하는데 이 저장 영역을 PC Register 라고 한다. PC Register 는 각 Thread 마다 하나씩 존재한다. Thread 가 Method 를 실행할때 현재 수행되고 있는 명령어의 주소를 포함하고 있다. 뭐 바이트 코드를 열어보면 0: i load 이런 게 있는데 아마 0 이런 것이 명령어의 위치를 나타내므로 비슷한 내용들을 저장하고 있지 않을 까 싶다.
• Native Method Stack
• 스레드에서 Native Method 가 실행되는 경우 해당 Stack 에 쌓인다고 한다.
• 뭐 Thread 의 경우 @native 가 붙은 Method 들이 많던데, 이런 Method 들이 Native Method Stack 에 쌓인다는 것 같다.

Excution Engine

• 인터프리터 / JIT Compiler / GC 가 포함되어 있다.
• 각 부분에 대한 내용은 위에 참조!

JDK 와 JRE 의 차이

JDK

• JDK ( Java DevelopMent kit) 으로 자바 개발자 도구이다. 그니까 실행과는 별로 연관이 없다. 우리가 자바라는 언어를 개발하기 위해서 필요한 소프트 웨어들이 담겨 있는 하나의 패키지 이다.
• 예를 들면 javac 이런 것들이 JDK 에 포함되어 있다.
• 내가 자주 쓰는 Debuger 이런것들도 JDK 일것 같다.

JRE

• JRE ( Java Runtime Environment ) 는 자바 어플리케이션을 구동하는데 필요한 요소들이 담겨 있다. 실제 폴더를 한번 찾아보면 아래와 같이 있는데, JDK 폴더아래에 나온다. 요즘 합쳐서 나온다는게 이소리인가 싶다.



• 뭐 여튼 찾아봤으니 아까 위해서 언급한 BootStrap ClassLoader 가 최우선적으로 불러오는 라이브러리를 한번 찾아보자. 위의 사진을 보면 jre 에 위치해있다~!