java의 동작 원리 및 구조 [JVM의 구조]

자바의 특징

- 객체지향언어: 하지만, 요새 대부분 언어가 객체지향언어( 이제 자바만의 특징이 아니다)

-  람다식: 함수형 프로그래밍의 원천

- Stream API:  람다 표현식과 메서드 참조등의 기능과 결합해서 복잡하고 어려운 데이터 처리 작업을 쉽게 조회, 필터링, 변환하여 처리가능. 

-병렬 프로그래밍: 여러 CPU코어에서 쓰레드를 배분하여 동시에 작업 수행가능.

JDK: 자바를 사용할 때 필요한 프로그램 (ex: word를 설치해야 문서 작성 가능. ) openjdk, amazon Corretto, 등등. 

자바 컴파일러

자바 컴파일러는 자바를 가지고 작성한 자바 코드를 자바 가상머신(JVM)이 이해할 수 있는 자바 바이트코드로 변환하는 역할을 수행한다. '.java' 파일을 '.class' 파일로 변환하는 것이다.

자바 컴파일러는 자바를 설치하면 javac.exe 라는 실행 파일의 형태로 설치된다.

 

 

자바 바이트코드

  바이트코드란?
특정 하드웨어가 아닌 가상 컴퓨터에서 작동하는 실행 프로그램을 위한 이진 표현법.

자바 바이트코드란 자바 가상 머신(JVM)이 이해할 수 있는 언어로 변환된 자바 소스 코드를 의미한다.
자바 바이트코드의 확장자는 .class 이며, 자바 바이트 코드는 자바 가상 머신(JVM)이 설치되어 있다면 어떠한 운영체제에서도 실행될 수 있다.

JVM

- JVM(Java Virtual Machine)은 Java 응용 프로그램을 실행하는 런타임 엔진 역할을 한다.
- 자바 코드에 존재하는 메인 메소드를 호출하는 것이 바로 이 JVM이다.
- JVM은 JRE(Java Runtime Environment)의 일부이다.

 

우리가 .java 파일을 컴파일할 때 .java파일에 존재하는 클래스 이름을 가진 .class 파일(자바 바이트코드)이 Java 컴파일러에 의해 생성되며, JVM이 .class 파일(자바 바이트코드)을 해석하고 실행한다.

자바는 운영체제에 독립적(WORA[Write Once Run Anywhere])이라고 하는데, JVM이 이를 가능하게한다.

어떤 운영체제던, JVM만 설치되어있다면 JVM을 통해 자바 바이트 코드를 실행할 수 있다.

 

 

JVM의 구성

• 클래스 로더(Class Loader)
• 실행 엔진(Execution Engine)
  • 인터프리터(Interpreter)
  • JIT 컴파일러(Just-in-Time)
  • 가비지 콜렉터(Garbage collector)
• 런타임 데이터 영역 (Runtime Data Area)

클래스 로더

JVM 내로 클래스 파일(*.class)을 로드하고, 링크를 통해 배치하는 작업을 수행하는 모듈이다.
런 타임시 동적으로 클래스를 로드하고 jar 파일 내 저장된 클래스들을 JVM 위에 탑재한다.
즉, 클래스를 처음으로 참조할 때, 해당 클래스를 로드하고 링크한는 역할을 한다.

 

실행 엔진(Execution Engine)

실행 엔진은 ".class"(바이트 코드)를 실행한다(클래스 파일을 실행하는 역할). 바이트 코드를 한 줄씩 읽고, 다양한 메모 리 영역에 있는 데이터와 정보를 사용하고, 명령을 실행한다. 인터프리터, JIT, 가비지 콜렉터 세 부분으로 분류할 수 있다.

 

- 클래스 로더가 JVM내의 런타임 데이터 영역에 바이트 코드를 배치시키고, 이것은 실행 엔진에 의해 실행된다.

- 자바 바이트 코드(*.class)는 기계가 바로 수행할 수 있는 언어보다는 비교적 인간이 보기 편한 형태로 기술된 것이다. 그래서 실행 엔진은 이와 같은 바이트 코드를 실제로 JVM 내부에서 기계가 실행할 수 있는 형태로 변경한다.

 

 

 인터프리터(바이트 코드 해석)

 바이트코드를 한 줄씩 해석한 후 실행한다. 

- 실행 엔진은 자바 바이트 코드를 명령어 단위로 읽어서 실행한다.

- 한 줄씩 수행하기 때문에 느리다( + 하나의 메소드를 여러 번 호출할 때 매번 해석이 필요하다)

 

 

JIT(Just-In-Time)

인터프리터 방식으로 실행하다가 적절한 시점에 바이트 코드 전체를 컴파일하여 기계어로 변경하고, 이후에는 해당 더 이상 인터프리팅 하지 않고 기계어로 직접 실행하는 방식이다. 

 인터프리터의 효율성을 높이기 위해 사용한다. 

 

가비지 콜렉터

더이상 사용되지 않는, 참조되지 않은 인스턴스를 찾아 메모리에서 삭제한다.

 

JVM 메모리 구조

Runtime Area

JVM이 프로그램을 수행하기 위해서 OS로부터 할당받는 메모리의 영역이다. 자바 애플리케이션을 실행할 때 사용되는 데이터들을 적재한다.

이 영역은 크게 Method Area, Heap Area // Strack Area, PC Register, Native Method Stack으로 나눌 수 있다.

좌측 2개의 영역은 모든 Thread가 공유하고, 우측  3개의 영역은 각 Thread 별로 생성 된다.

 

PC Register

스레드의 현재 실행 명령의 주소를 저장한다. 각 스레드에는 별도의 PC 레지스터가 있다.

Thread가 시작될 때 생성되며 생성될 때마다 생성되는 공간으로, 스레드마다 하나씩 존재한다.

Thread가 어떤 부분을 어떤 명령으로 실행해야할 지에 대한 기록을 하는 부분으로 현재 수행 중인 JVM 명령의 주소를 갖는다.

 

 JVM 스택 영역

프로그램 실행과정에서 임시로 할당되었다가 메소드를 빠져나가면 바로 소멸되는 특성의 데이터를 저장하기 위한 영역이다.
- 각종 형태의 변수나 임시 데이터, 스레드나 메소드의 정보를 저장한다.
- 메소드 호출 시마다 각각의 스택 프레임(그 메서드만을 위한 공간)이 생성된다. 메서드 수행이 끝나면 프레임 별로 삭제를 한다.
- 메소드 안에서 사용되는 값들을 저장한다. 또 호출된 메소드의 매개변수, 지역변수, 리턴 값 및 연산 시 일어나는 값들을 임시로 저장한다.

- Thread별로 1개씩 존재한다.
- 지역 변수, 파라미터, 리턴 값, 연산에 사용되는 임시 값 등이 생성되는 영역이다. (heap 영역에 존재하는 객체들에 대한 참조와 primative type인 지역 변수들이 Stack area에 저장된다)
- Thread의 Method를 호출할 때 수행 정보들이 Frame 이라는 단위로 JVM stack에 저장된다.
-  스택 영역에 차례대로 저장되는 함수의 호출 정보를 스택 프레임(stack frame)이라고 한다. 이후 Method 호출이 종료될 때 stack에서 제거된다.

primitive type의 저장 위치
멤버변수(인스턴스변수, 클래스(static)변수)로 선언된 primitive type의 변수는 Heap에 저장되며, 지역변수(local variable)는 Stack에 저장된다.

 

Native method stack

자바 프로그램이 컴파일되어 생성되는 바이트 코드가 아닌 실제 실행할 수 있는 기계어로 작성된 프로그램을 실행시키는 영역이다.
- JAVA가 아닌 다른 언어로 작성된 코드를 위한 공간.
- Java Native Interface를 통해 바이트 코드로 전환하여 저장하게 된다.
- 일반 프로그램처럼 커널이 스택을 잡아 독자적으로 프로그램을 실행시키는 영역

- Thread별로 1개씩 존재한다.
- 스레드 당 하나의 Native method stack을 가진다. Java외 다른 언어들로 작성된 Native method 정보를 저장한다.

 

여기까지, JVM에서, 쓰레드 당 하나씩 할당되어 있는 요소들을 알아 봤다. 

이번엔 JVM 당 1개씩 존재하며, 모든 쓰레드에게 공유되는 영역을 살펴보자.

 Method Area (= Class Area = Static area)

클래스 정보를 처음 메모리 공간에 올릴 때 초기화되는 대상을 저장하기 위한 메모리 공간이다.

Method area 영역에서는, 모든 클래스 수준의 정보(메타 데이터 - 클래스 이름, 부모 클래스 이름, 메서드들과 변수들 [멤버변수는 이제 모두 Heap 영역에 올라가므로 Method area에는 저장되지 않는다]등)가 저장된다. (static이 Method area에 저장된다는 글이 있는데, 이는 Java 8 이전의 이야기이며, Java 8 이후부터는 static이 Heap 영역에 저장된다.) 

 

- JVM 하나당 하나의 Method area를 가지며, 모든 Thread가 공유 이곳의 자원들을 공유할 수 있다.

 Runtime Constant Pool

- 스태틱 영역에 존재하는 별도의 관리영역.
- 상수 자료형을 저장하여 참조하고 중복을 막는 역할을 수행한다.

스태틱 영역에 저장되는 데이터

Field Information (멤버 변수)
멤버변수의 이름, 데이터 타입, 접근 제어자에 대한 정보

Method Information (메소드)
메소드의 이름, 리턴타입, 매개변수, 접근 제어자에 대한 정보

Type Information (타입)
class인지 interface인지의 여부 저장. Type의 속성, 전체 이름, super 클래스의 전체 이름. (interface이거나 object인 경우 제외된다. 이건 Heap에서 관리한다.)

 Heap 영역

 

객체를 저장하는 가상메모리 공간. new 연산자로 생성되는 객체와 배열을 저장한다.

Class Area(Static Area)에 올라온 클래스들만 객체로 생성할 수 있다.

힙은 Permanent Generation,  New/Young 영역, Old 영역 세 부분으로 나뉘어 진다.

 

- 모든 Thread가 공유한다.
- 모든 생성된 객체의 정보는 힙 영역에 저장된다.
- 인스턴스와 배열이 동적으로 생성되는 공간이자 GC(가비지 컬렉터)의 대상이 되는 영역이다.
- 모든 쓰레드에서 공유하므로 동기화 문제가 발생할 수 있다.

 

1) Permanent Generation

생성된 객체들의 정보의 주소값이 저장된 공간이다. 클래스 로더에 의해 load되는 Class, Method 등에 대한 Meta 정보가 저장되는 영역이고 JVM에 의해 사용된다.
Reflection을 사용하여 동적으로 클래스가 로딩되는 경우에 사용된다.

 

 Reflection이란?
객체를 통해 클래스의 정보를 분석해 내는 프로그래밍 기법
구체적인 클래스 타입을 알지 못해도, 컴파일된 바이트 코드를 통해
역으로 클래스의 정보를 알아내어 사용할 수 있다는 뜻이다.

 

 

2) Young 영역 (New 영역)

- 이곳의 인스턴스들은 이후에 가비지 콜렉터에 의해 사라진다.
- 생명 주기가 짧은 “young 객체”를 GC 대상으로 하는 영역이다.

- 여기서 일어나는 가비지 콜렉트를 Minor GC 라고한다

- Eden: 객체들이 최초로 생성되는 공간

- Survivor 0, 1: Eden에서 참조되는 객체들이 저장되는 공간

Eden 영역에 객체가 가득차게되면 첫번째 가비지 콜렉트가 발생한다.
Eden영역에 있는 값들을 Survivor 1 영역에 복사하고 이 영역을 제외한 나머지 객체를 삭제한다

3) Old 영역

- 이곳의 인스턴스들은 이후에 가비지 콜렉터에 의해 사라진다.

- 생명 주기가 긴 “오래된 객체”를 GC 대상으로 하는 영역이다.
- 여기서 일어나는 가비지 콜렉트를 Major GC 라고 한다. Minor GC에 비해 속도가 느리다.

 - New/Young Area에서 일정시간 참조되고 있는, 살아남은 객체들이 저장되는 공간이다.

JDK와 JRE의 차이

 

JDK

Java Development Kit (자바 개발 키트)
Java 를 사용하기 위해 필요한 모든 기능을 갖춘 Java용 SDK (Software Development Kit)이다.

 

SDK란?
Software Development Kit (소프트웨어 개발 키트)
하드웨어 플랫폼, 운영체제 또는 프로그래밍 언어 제작사가 제공하는 툴이다. 키트의 요소는 제작사마다 다르다.
SDK의 대표적인 예로, JDK 등이 있다.
SDK를 활용하여 애플리케이션을 개발할 수 있다.

- JDK 는 JRE를 포함하고 있다.
- JRE에 있는 모든 것 뿐만 아니라 컴파일러(javac)와 jdb, javadoc 과 같은 도구도 있다.

 

즉, JDK는 프로그램을 생성, 실행, 컴파일하기 위한 툴이다.

JRE

Java Runtime Environment (자바 런타임 환경)

JVM + 자바 클래스 라이브러리(Java Class Library) 등으로 구성되어 있다.
컴파일 된 Java 프로그램을 실행하는데 필요한 패키지이다.

 

 

요약

- JDK는 자바 프로그램을 실행, 컴파일, 개발용 도구.
- JRE, JVM를 모두 포함하는 포괄적이 키트이다.
- JRE는 자바 프로그램을 실행할 수 있게 하는 도구이다. JVM을 포함하고 있다.