[Java] JVM의 구조와 자바 컴파일 과정

0. 자바의 특징

자바의 특징이라고 하면 플랫폼 독립성이 먼저 떠오르곤 합니다. 자바가 OS에 독립적일 수 있는 이유는 바로 JVM(Java Virtual Machine) 덕분인데요! 오늘은 자바가 플랫폼 독립성을 가질 수 있는 이유인 JVM의 기능과 컴파일 과정에 대해 알아보도록 하겠습니다!

 

1. JVM 구조

자바 가상 머신 JVM은 자바 프로그램 실행환경을 만들어 주는 소프트웨어입니다. JVM에는 자바 실행 환경 JRE(Java Runtime Environment)가 포함되어 있기 때문에, 개발자가 작성한 자바 파일을 컴파일한 .class 파일은 JVM에서 실행됩니다!

https://velog.io/@minseojo/Java-%EC%9E%90%EB%B0%94-%EC%BB%B4%ED%8C%8C%EC%9D%BC-%EA%B3%BC%EC%A0%95-JVM-%EB%82%B4%EB%B6%80-%EA%B5%AC%EC%A1%B0 에서 가져왔습니다.

 

 

(1) 클래스 로더 (Class Loader)

자바는 동적으로 클래스를 읽어옵니다. 그렇기 때문에 런타임 환경이 되어서야 모든 코드가 JVM과 연결됩니다. 이렇게 동적으로 클래스를 로딩해주는 역할을 하는 것이 바로 "클래스 로더"입니다!

클래스 로더는 .class 파일을 묶어서 JVM이 운영체제로부터 할당받은 메모리 영역인 Runtime Data Area로 적재하는 역할을 합니다.

 

(2) 런타임 데이터 영역 (Runtime Data Area)

런타임 데이터 영역은 JVM의 메모리 영역으로 자바 애플리케이션을 실행할 때 사용되는 데이터들을 적재하는 영역입니다.

• 모든 스레드가 공유해서 사용하는 영역 (GC의 대상)
  • 힙 영역: new 키워드로 생성된 객체와 배열이 저장되는 영역입니다.
  • 메서드 영역: 클래스 멤버 변수의 이름, 데이터 타입, 접근 제어자 정보와 같은 각종 필드 정보들과 메서드 정보, 데이터 타입 정보, Constant poll, static 변수, final class 등이 저장되는 영역입니다.
• 스레드마다 하나씩 생성되는 영역
  • 스택 영역: 지역 변수, 파라미터, 리턴 값, 연산에 사용되는 임시적인 값등을 저장하는 영역입니다.
  • PC 레지스터: 스레드가 생성될 때마다 생성되는 영역으로 Program Counter 즉, 현재 스레드가 실행되는 부분의 주소와 명령을 저장하는 영역입니다.
  • 네이티브 메서드 스택: 자바 외의 언어(C, C++, 어셈블리 등)로 작성된 네이티브 코드를 실행할 때 사용되는 메모리 영역으로 보통 C 스택을 사용합니다.

 

(3) 가비지 컬렉터 (Garbage Collector)

JVM은 GC를 활용해서 더이상 사용하지 않는 메모리를 자동으로 회수하며 정리해 줍니다. 따라서 개발자가 따로 메모리를 관리하지 않아도 되므로, 더욱 손쉽게 프로그래밍을 할 수 있도록 도와줍니다. GC는 Heap 영역에 생성된 객체 중에서 참조되지 않은 객체들을 탐색한 후 제거하는 역할을 합니다. (역할을 수행하는 정확한 시간은 알 수 없습니다.)

 

자세한 GC 관련 내용은 다음 글을 참고해 주세요 :)

 

(4) 실행 엔진 (Execution Engine)

.class 파일이 클래스 로더에 의해 JVM에 로드되면 Runtime Data Area에 배치됩니다. 배치 후에는 Method Area의 바이트 코드를 실행 엔진에게 제공하여, 정의된 대로 바이트 코드를 실행시킵니다. 즉, 로드된 바이트 코드를 실행하는 런타임 모듈이 실행 엔진인 것입니다!

 

2. 자바 컴파일 과정

(1) 자바 코드 파일(.java) 작성

개발자가 .java 파일에 자바 코드를 작성합니다. 

 

(2) 컴파일

자바 컴파일러가 자바 소스파일을 컴파일합니다. 그 결과물로 자바 바이트 코드 파일(.class)이 나옵니다. (자바 바이트 코드 파일은 JVM이 이해할 수 있는 코드 파일입니다. 아직은 컴퓨터가 읽을 수 없어요! 바이트 코드의 각 명령어는 1바이트의 크의 Opcode와 추가 피연산자로 이루어져 있습니다.)

 

(3) 클래스로더(Class Loader)에게 전달

컴파일된 바이트 코드를 JVM의 클래스로더(Class Loader)에게 전달합니다.

 

(4) 필요한 클래스들 로딩 및 링크하여 JVM의 메모리에 올리기

클래스 로더는 동적 로딩을 통해 필요한 클래스들을 로딩 및 링크하여 런타임 데이터 영역 즉, JVM의 메모리에 올립니다.

클래스 로더의 세부 동작은 다음과 같습니다.

• (1) 로드: .class 파일을 가져와서 JVM의 메모리에 로드합니다.
• (2) 검증: 자바 언어 명세 및 JVM 명세에 명시된 대로 구성되어 있는지 검사합니다.
• (3) 준비: 클래스가 필요로 하는 메모리를 할당합니다.
• (4) 분석: 클래스의 상수 풀 내에 모든 심볼릭 레퍼런스를 다이렉트 레퍼런스로 변경합니다.
• (5) 초기화: 클래스 변수들을 적절한 값으로 초기화합니다.

 

 

(5) 실행 엔진을 통한 실행

실행 엔진은 JVM 메모리에 올라온 바이트 코드들을 명령어 단위로 하나씩 가져와서 실행합니다.

 

실행 엔진은 두 가지 방식이 있습니다.

• (1) 인터프리터: 바이트 코드 명령어를 하나씩 읽어서 해석하고 실행합니다. 하나하나의 실행은 빠르나, 전체적인 실행 속도가 느리다는 단점이 있습니다.
• (2) JIT 컴파일러(Just-In_Time Compiler): 인터프리터의 단점을 보완하기 위해 도입한 방식으로, 바이트 코드 전체를 컴파일하여 바이너리 코드로 변경합니다. 이후 해당 메서드를 더이상 인터프리팅하지 않고, 바이너리 코드로 직접 실행합니다. 하나씩 실행하는 것이 아니라 바이트 코드 전체가 컴파일된 바이너리 코드를 실행하는 것이기 때문에 전체적인 실행 속도는 인터프리팅 방식보다 빠릅니다. 

 

참고
https://gyoogle.dev/blog/computer-language/Java/%EC%BB%B4%ED%8C%8C%EC%9D%BC%20%EA%B3%BC%EC%A0%95.html https://velog.io/@minseojo/Java-%EC%9E%90%EB%B0%94-%EC%BB%B4%ED%8C%8C%EC%9D%BC-%EA%B3%BC%EC%A0%95-JVM-%EB%82%B4%EB%B6%80-%EA%B5%AC%EC%A1%B0