JVM은 무엇이며 자바 코드는 어떻게 실행하는 것인가

목표

자바 소스 파일(.java)을 JVM으로 실행하는 과정 이해하기.

학습할 것

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

JVM이란 무엇인가

JVM(Java Virtual Machine, 자바 가상머신) 이란 자바(Java) 바이트코드(이후 설명)를 실핼할 수 있는 주체입니다. 쉽게 말하면 Java로 개발한 프로그램을 컴파일하여 만들어지는 바이트코드를 실행시키기 위한 가상머신입니다.

JVM은 JRE(Java Runtime Environment)에 포함되어 있으며, Java 컴파일러가 프론트엔드를 담당한다면 자바 가상머신(JVM)은 코드 최적화와 백엔드를 담당한다고 할 수 있습니다.

자바 가상머신이라고 해서 Java 바이트코드만 인식하는 것은 아닙니다. 바이트코드를 Java가 아닌 다른 언어들(Kotlin, Scala, Groovy)로도 생성할 수 있기 때문입니다.

참고
Java의 모토인 WORA(Write once, Run anywhere)은 JVM을 통해 가능한 것 입니다. 이 말은 JVM은 플랫폼 독립적이기 때문에 JVM이 실행 가능한 환경이라면 어디서든 Java 프로그램이 실행될 수 있다는 말입니다.

하지만 특정 운영체제의 특수한 기능을 호출하거나 하드웨어를 제어하는 등의 일은 JVM으로 할 수 없으며, JNI 같은 Native 코드를 호출하기 위한 인터페이스를 거쳐야합니다. 일종의 샌드박스 환경(?)

컴파일 하는 방법

Java 코드가 컴파일되는 전체 과정을 그림으로 보면 아래와 같습니다.

java-compilation-and-execution

예를 들어 다음과 같은 Java 코드가 있다고 할때,

/*
 * Main.java 
 */
class Main {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello World!");
    }
}

cmd 창에서 다음과 같은 명령어를 입력하여 Java 코드를 컴파일을 수행할 수 있습니다.

javac Main.java

Java 소스코드는 javac 컴파일러를 거쳐 .class 파일이 생성이 됩니다. 이때 .class 파일은 바이트코드를 포함하고 있습니다. 즉, javac 컴파일러가 .java 파일을 바이트코드로 변환하는 작업을 수행하는 것 입니다.

실행하는 방법

javac 명령어로 컴파일된 .class 파일은 다음 명령어로 실행이 가능합니다.

java Main

Hello World!

바이트코드란 무엇인가

바이트코드는 실행 엔진(Execution Engine)에 의해서 바이트코드를 Native 기계 코드로 변환하기 위한 것 입니다.

이러한 과정을 컴파일링(compiling) 이라고 하고 Java가 다른 언어에 비해 비교적 느린 이유 중 하나입니다.

JIT 컴파일러란 무엇이며 어떻게 동작하는지

JIT(Just-in-time) 컴파일러는 JVM (Java Virtual Machine)의 일부입니다. 동시에 유사한 기능을 가진 바이트 코드의 일부를 해석하는 기능을 수행합니다. 그리고 컴파일 과정을 자세히 보면 아래와 같습니다.

java-jit-converts-bytecode-into-machine-code

JVM은 RAM에 위치함을 볼 수 있습니다. 그리고 실행하는 동안 javac 컴파일러로 변환된 바이트코드(Main.class)는 JRE에 들어있는 Java ClassLoader에 의해 JVM으로 적재되고 JVM은 적재된 바이트코드를 JIT 컴파일 방식으로 실행됩니다.

그리고 이후 실행 엔진(Execution Engine)에 의해서 바이트코드를 Native 기계 코드로 변환하게 됩니다.

JVM 구성 요소

JVM의 구조는 아래와 같고 Class Loader, Memory Area, Excution Engine 등의 구성 요소를 포함합니다.

jvm-architecture

클래스 로더(Class Loader)
- 클래스 로더는 클래스 파일을 로드 하는데 사용되는 하위 시스템입니다. 클래스 로드는 로딩, 연결 및 초기화 기능을 수행합니다.
메소드 영역(Method Area)
- 메소드 영역은 메타 데이터, 상수 런타임 풀 및 메소드 코드와 같은 클래스 구조를 저장합니다.
힙(Heap, Heap Area)
- 모든 객체와 연관된 인스턴스 변수 그리고 배열 등이 힙 영역에 저장됩니다. 해당 영역의 메모리는 여러 스레드에서 공유됩니다.
JVM 언어 스택(JVM Language Stacks, Stack Area)
- 스택 영역에는 지역 변수가 저장됩니다. 스레드는 자체 JVM stack을 갖습니다.(JVM stack은 스레드가 생성되는 동시에 생성됩니다.) 메서드가 호출 될 때 마다 새 프레임(JVM Stack)이 생성되고 메서드 호출 프레서스가 완료되면 삭제됩니다.
PC 레지스터(PC Register)
- PC 레지스터는 현재 실행중인 Java 가상 머신 명령의 주소를 저장합니다. Java에서 각 스레드에는 별도의 PC 레지스터가 있습니다.
네이티브 메서드 스택(Native Method Stack)
- 네이티브 메서드 스택은 네이티브 라이브러리에 따라 네이티브 코드의 지침을 보유합니다.(Java가 아닌 언어로 작성되어있음)
실행 엔진(Execution Engine)
- 하드웨어, 소프트웨어 또는 전체 시스템을 테스트하는데 사용되는 소프트웨어 유형입니다. 테스트 실행 엔진은 테스트 된 제품에 대한 정보를 전달하지 않습니다.
네이티브 메서드 인터페이스(Native Method Interface)
- 네이티브 메서드 인터페이스는 프로그래밍 프레임워크입니다. JVM에서 실행되는 Java 코드가 라이브러리 및 기본 애플리케이션에서 호출할 수 있습니다.
네이티브 메서드 라이브러리(Native Method Libraries)
- 네이티브 메서드 라이브러리는 실행 엔진(Execution Engine)에 필요한 라이브러리(C,C++)의 모음입니다.

JDK와 JRE의 차이

JDK(Java Development Kit)

자바 언어로 프로그램을 개발하는데 필요한 요소들이 포함된 도구 모음

JRE(Java Runtime Environment)

JRE는 자바 코드를 받아서 필요한 라이브러리와 결합한 다음 이 코드를 실행할 JVM을 시작하는 온디스크 시스템입니다. JRE에는 자바 프로그램 실행에 필요한 라이브러리와 소프트웨어가 포함됩니다. 예를 들어 자바 클래스 로더는 자바 런타임 환경의 일부입니다.

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