[Java] JVM은 무엇이며 자바 코드는 어떻게 실행하는 것인가

목표

자바 소스 파일(.java)을 JVM으로 실행하는 과정 이해하기.

학습할 것

JVM이란 무엇인가
컴파일하는 방법
실행하는 방법
바이트코드란 무엇인가
JIT 컴파이러란 무엇이며 어떻게 동작하는지
JVM 구성 요소
JDK와 JRE의 차이

JVM이란 무엇인가

JVM은 Java Virtual Machine의 약자로 자바 가상 머신을 말한다. 가상머신이란 프로그램을 실행하기 위해 물리적 머신과 유사한 머신을 소프트웨어로 구현한 것이다. JVM은 .java파일을 컴파일한 .class파일들을 load하여 실행시켜주는 머신을 말한다. 즉, 바이트코드로 컴파일된 자바코드를 실행시키는 머신을 의미한다. 이때 머신은 소프트웨어만을 지칭하는 것이 아니며 구현은 하드웨어로 구현 되는 경우도 JVM이라고 말할 수 있다. 하지만, 하드웨어 구현은 상용화되지 않았으며 거의 모든 JVM은 소프트웨어로 구현되있다.

JVM이 필요한 이유는 "Write Once, Run Anywhere"이라는 JAVA의 목표와 관련이 있다. 한번의 개발로 모든 곳에서 프로그램을 동작시킬 수 있도록 하는 것이 초기 자바 개발의 목표였다. 이를 수행하기 위해서 JAVA는 OS로 부터 independent해야했다. 이를 위해서 OS에 dependent한 JVM을 개발하였다. 즉, JVM은 각각의 OS에 맞는 JVM이 설치되어야 한다. 이러한 이유는 OS마다 사용하는 시스템 콜이 다르며, CPU마다 사용하는 instruction이 다르기 때문이다. JVM이 OS에 dependent함으로서, Java 프로그램은 한번의 개발을 통해 JVM이 설치된 모든 OS에서 실행가능해 진 것이다.

JVM은 스택기반의 가상머신이다. JVM은 레지스터를 사용하지 않는다. 모든 CPU가 동일한 레지스터 구성을 가지고 있지는 않다. 만약 JVM이 레지스터를 사용한다면, JVM은 원래도 OS에 dependent하지만, 더더욱 dependent해질 것이다. 왜냐하면 각 CPU의 레지스터 구성에 맞게 JVM이 개발되어야 하기 때문이다. 레지스터를 사용하지 않고, 스택으로 레지스터를 대신함으로써 CPU에 덜 dependent해질 수 있다.

JVM의 특성

스택 기반의 가상 머신
단일 상속 형태의 객체 지향 프로그래밍을 가상 머신 수준에서 구현
포인터를 지원하되 C와 같이 주소 값을 임의로 조작이 가능한 포인터 연산이 불가능
가비지 컬렉션 사용
모든 기본 타입의 정의를 명확히 함으로써 플랫폼 독립성 보장
데이터 흐름 분석에 기반한 자바 바이트코드 검증기를 통해 스택 오버프로우, 명령어 피연산자의실행 시 안전을 보장하고 별도의 부담을 줄여줌
타입 규칙 위반, 필드 접근 규칙 위반, 지역 변수의 초기화 전 사용 등 많은 문제를 실행 전에 검증하여
명령어에서 스택에서 가져올 피연산자의 타입을 명령어에 지정(예: 정수 덧셈은 iadd, 단정밀도 실수 덧셈은 fadd)

바이트코드란 무엇인가

자바 바이트코드란 JVM이 이해할 수 있는 언어로 변환된 자바 소스 코드를 의미한다.
자바 컴파일러에 의해 변환되는 코드의 명령어 크기가 1바이트라서 자바 자이트 코드라고 불리고 있다.
이러한 자바 바이트 코드의 확장자는 .class이며, 자바 바이트 코드는 JVM만 설치되어 있으면,
어떤 운영체제에서라도 실행될 수 있다.

java코드를 byte 코드로 변환하기

intellij에는 java코드를 build후 byte 코드를 볼 수 있는 기능을 제공한다.
intellij->View->Show Bytecode
Java 코드

public static void main(String[] args) {
        int a = 1;
        int b = 2;
        int c = a + b;
        System.out.println(c);
    }

Byte 코드

public static main([Ljava/lang/String;)V
   L0
    LINENUMBER 3 L0
    ICONST_1
    ISTORE 1
   L1
    LINENUMBER 4 L1
    ICONST_2
    ISTORE 2
   L2
    LINENUMBER 5 L2
    ILOAD 1
    ILOAD 2
    IADD
    ISTORE 3
   L3
    LINENUMBER 6 L3
    GETSTATIC java/lang/System.out : Ljava/io/PrintStream;
    ILOAD 3
    INVOKEVIRTUAL java/io/PrintStream.println (I)V
   L4
    LINENUMBER 7 L4
    RETURN
   L5
    LOCALVARIABLE args [Ljava/lang/String; L0 L5 0
    LOCALVARIABLE a I L1 L5 1
    LOCALVARIABLE b I L2 L5 2
    LOCALVARIABLE c I L3 L5 3
    MAXSTACK = 2
    MAXLOCALS = 4

Byte 코드는 C언어로 작성된 .c파일을 컴파일 했을 때 생성되는 .obj파일과 유사하다.

Byte 코드또한 Instruction을 가지고 있다. 특이점은 레지스터를 사용하지 않고 스택에 변수값을 저장한다는 것이다.

JVM 구성 요소

JVM의 구성요소는 다음과 같다.

ClassLoader,Method Area,Heap,JVM language Stacks,PC Register,Native Method Stacks,Excution Engine,Native Method interface,Native Method Libraries

ClassLoader

과거, 필자는 클래스 로더에 대해서 처음 'java' 명령어를 통해 자바 프로그램이 실행될 때, 1번만 실행되는 것으로 잘못 이해하고 있었다. 클래스 로더는 런타임 동안에 JVM에 Java Class를 동적으로 로딩해주는 역할을 수행한다. 즉, 클래스 로딩과정은 런타임 동안에 수행된다는 의미이다. 유의하자!

클래스 로더는 클래스 파일들을 로딩하는데 사용되는 서브시스템이다. 클래스 로더는 로딩, 링킹, 초기화라는 3가지 주요한 기능을 수행한다.

로딩 : .class파일을 읽고 내용에 맞는 binary 데이터를 생성한 뒤 JVM의 Method Area에 저장한다.
로딩이 끝나면, 해당 클래스 타입의 class 객체를 생성해서 heap 영역에 저장한다.
링킹 : 링킹은 Verify->Prepare->Resolve의 3단계로 이뤄진다.
- Verify : 혹시라도 바이트 코드가 수정되었을 수 있기 때문에, .class파일 형식이 유효한지 확인한다.
- Prepare : 클래스 변수(static 변수)와 기본값에 필요한 메모리를 준비하는 과정이다.
- Resolve : 사용하는 환경에 따라 동작 유무가 정해지는 Optional한 과정이다. 이 과정에서는
  심볼릭 메모리 래퍼런스를 메소드 영역에 있는 실제 래퍼런스 혹은 힙에 있는 인스턴스를 가리키도록
  하는 작업을 한다.
초기화 : 링킹의 Prepare단계에서 확보한 메모리 영역에 클래스의 static 값들을 할당한다.

Method Area

메소드 영역은 클래스( and the run-time constant pool ), 변수, 메소드, static 변수, 상수 정보 등이 저장되는 영역이며 JVM의 모든 쓰레드가 공유한다. 메소드 영역은 JVM이 시작될 때 생성된다. 논리적으로는 힙의 일부이지만, 간단한 구현체의 경우 GC에게 수집되지 않도록 설정할 수 있다.

Run-Time Constant Pool : 클래스 파일에는 contant_pool 테이블 영역이 존재한다. runtime constant pool은 이러한 constant_pool을 표현하는 개념이다. 클래스 or 인터페이스 마다 존재하며, 컴파일할 때 확인된 상수 리터럴이나 메서드 및 필드 참조 등 여러 상수들이 저장된다.

Heap

힙은 모든 클래스 인스턴스와 배열에 대한 메모리가 할당되는 런타임 데이터 영역이며, JVM의 모든 쓰레드가 공유한다. 메소드 영역과 마찬가지로 JVM이 시작될 때 생성되며, garbage collection이라는 자동 메모리 관리 시스템에 의해 관리된다. 그렇기 때문에 객체는 명시적으로 해제되지 않는다. JVM은 특정 gc를 요구하지 않기 때문에 구현체에 따라서 메모리 관리 기술을 선택할 수 있다.

JVM language Stacks

JVM 쓰레드는 생성과 동시에 개개인의 JVM 스택을 할당 받는다. JVM 스택은 스택 프레임(메소드가 수행될 때 생성되는 저장공간)을 저장한다. 지역 변수와 부분적인 결과가 저장되며 메소드 호출과 반환의 역할을 수행한다. JVM 스택은 push,pop을 제외하고 직접 조작되지 않기 때문에, 스택 프레임이 힙 영역에 할당될 수도 있다.

(위에서 말하는 힙 역역은 JVM의 힙이 아니라 메모리의 힙 영역에 할당됨을 의미한다. JVM stack은 메모리에 연속적으로 할당될 필요가 없기 때문이다. - JVM Specification 2.5.2)

PC Register

JVM은 한번에 많은 스레드가 실행될 수 있도록 지원한다. 각 JVM thread는 자체 PC 레지스터를 갖는다. 스레드가 실행하는 메소드가 네이티브(c or c++ or assembly)가 아닌 경우 pc 레지스터는 현재 실행 중인 JVM 명령의 주소를 포함한다. 만약, 스레드에 의해 현재 실행 중인 메소드가 네이티브인 경우 JVM의 pc 레지스터는 undefined상태가 된다.

Native Method Stacks

JVM의 구현체는 네이티브 메소드를 지원하는 스택을 갖는다. 네이티브 메소드는 c or c++ or assembly로 작성된 메소드를 말한다.

Excution engine

Excution engine은 Runtime Data Areas에 있는 데이터들을 가져와 실제 실행시키는 주체이다. JVM에 존재하는 각각의 스레드는 자신만의 고유한 Excution engine을 가지고 있다. Excution engine은 클래스 로더에 의해 적재된 바이트코드를 머신코드로 변환하는 작업을 수행한다. Excution engine은 바이트코드를 한 줄씩 읽어서 머신코드로 변환시키는 Interpreter방식을 수행한다. 이 방식의 문제는 똑같은 메소드가 반복되더라도 매번 해석과정을 수행한다는 점이다. 이는 성능을 저하시킨다. 이를 해결하기 위해 JTI 컴파일러를 사용한다.

JIT 컴파러란 무엇이며 어떻게 동작하는지

JIT 컴파일러는 interpreter 방식의 단점을 보완한다. 런타임에 바이트코드를 머신코드로 컴파일하고, excution engine은 interperter 수행 중 해당 메소드를 만나면 해당 바이트코드를 해석하지 않고 JIT컴파일러가 컴파일한 머신코드를 수행한다. 그렇다면 애초에 모든 바이트코드를 JIT 컴파일러를 이용해 컴파일하는 것이 좋지 않을까? 그렇지 않다. 왜냐하면 JIT 컴파일러를 이용한 컴파일 또한 프로세서와 메모리를 사용하기 때문에 start time performance를 저하시킬 수 있다. 따라서 JIT 컴파일러는 메소드들이 일정 기준 사용되면 해당 메소드를 컴파일 하는 방식을 수행한다. 어떤 메소드는 빠르게 컴파일될 수 있고, 어떤 메소드는 뒤늦게 컴파일 될 수 있으며, 어떤 메소드는 컴파일 되지 않을 수도 있다.

컴파일하는 방법

컴파일 명령어 구조 : javac <option> <source files> <args>
-classpath 옵션 : 컴파일러가 컴파일 할 때 필요로하는 라이브러리나 클래스들의 경로를 지정해주는 옵션
예를 들어 하나의 클래스에서 다른 클래스의 인스턴스를 사용하는 구조일 때 인스턴스를 사용하는 클래스는
-classpath를 통해 참조하고 있는 클래스의 위치를 정의해줘야 한다.
EX) javac -classpath ./* TestClass.java (컴파일)

1개 java파일 컴파일

.java파일 작성
javac 클래스명.java(컴파일 명령어)
클래스명.class 바이트코드 파일 생성
java 클래스명.class 바이트코드 실행

javac option

-g : 디버깅 정보를 생성한다.
-nowarn : warnings 정보를 생성하지 않는다.
-verbose : 어느 부분을 컴파일하는지 메시지를 출력한다.
-classpath <path> : 컴파일에 필요한 클래스파일의 위치정보를 제공한다.
-d <directory> : 클래스파일이 생성될 디렉토리의 위치를 지정한다.

실행하는 방법

EX) java example.TestClass (실행 명령어)

java 명령은 패키지의 parent 디렉토리 위치에서 실행하되, 실행할 클래스 파일의 이름은

패키지명.클래스파일명으로 지정해야 한다.

JDK와 JRE의 차이

간단하게 말하면 JRE(Java Runtime Environment)는 java파일을 실행하기위한 환경을 말하며, JDK는 JRE를 포함하며 java 개발자를 위한 프로그램들을 포함한다.
Java 11부터 Oracle은 JRE를 제공하지 않기로 했다. 오직 JDK만을 제공한다. 애초에 JDK가 JRE를 포함하고 있기 때문에 굳이 JRE를 추가로 제공하여 일을 늘리지 않으려는 의도로 보여진다.(백기선님의 강의 참고)
그러나 Oracle에서만 JRE를 제공하지 않을 뿐이며 다른 vendor JRE를 제공하는 곳도 있다.

참고자료

JVM이란 무엇인가? : https://asfirstalways.tistory.com/158
JVM 구조 : https://www.guru99.com/java-virtual-machine-jvm.html
JVM 클래스 로더 : https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se7/html/jvms-5.html
김김의 JVM Specification : https://www.youtube.com/watch?v=6reapO0gLPs
무민의 JVM Stack & Heap : https://www.youtube.com/watch?v=UzaGOXKVhwU
JVM 위키백과 : https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%9E%90%EB%B0%94_%EA%B0%80%EC%83%81_%EB%A8%B8%EC%8B%A0
자바컴파일 - javac : https://suzxc2468.tistory.com/193
자바 바이트 코드 : http://www.tcpschool.com/java/java_intro_programming
JVM Excution Engine : https://www.geeksforgeeks.org/execution-engine-in-java/
JIT 컴파일러 : https://www.ibm.com/docs/en/sdk-java-technology/8?topic=reference-jit-compiler

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